2015-02-27
1231Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Владимирский государственный университет
Имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
(ВлГУ)
Опорный конспект лекций
по дисциплине
«Системы автоматизированного проектирования
технологических процессов»
для студентов направления
151900.62 «Конструкторско – технологическое обеспечение машиностроительных производств»
Составитель:
доцент кафедры ТМС Жарков Н.В.
Владимир, 2013
ЛЕКЦИЯ 1
Введение
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.
Современные изделия включают в себя значительное количество деталей. В этом отношении интересны данные, приведенные в таблице 1.
Таблица 1.1
| Число деталей в изделиях | ||
| Время | Примерное количество классов изделий | Среднее число различных деталей в наиболее сложных изделиях |
| 100000 лет назад | ||
| 10000 лет назад | ||
| 1000 лет назад | ||
| Настоящее |
Фирмы Западной Европы, США, Японии и др. стран уже давно работают в условиях рынка. Наша страна только вступает на этот путь. В условиях рынка диктует потребитель. Рынок – это конкуренция. На рынке спросом пользуется только конкурентоспособная продукция. Производители продукции должны постоянно ее обновлять. Т.е. количество модификаций изделий, изготовляемых производителем, постоянно увеличивается.
Указанные выше причины указывают на то, что на современных предприятиях, в том числе и машиностроительных, значительное количество времени и средств тратится на проектирование в целом и на разработку (проектирование) технологических процессов в частности.
Первыми двумя целями и задачами автоматизации технологической подготовки производства являются следующие:
- Сокращение трудоемкости технологической подготовки производства и, как следствие, сокращение числа технологов.
- Сокращение сроков технологической подготовки производства.
Необходимы еще следующие замечания относительно двух первых целей и задач. Сокращение числа технологов приводит к уменьшению себестоимости изделия. А необходимость сокращения сроков технологической подготовки производства обуславливается 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. Если представить, что две конкурирующие фирмы одновременно решили выпускать одинаковое изделие, но первая из них затратила полгода на проектирование и производство первого образца, а у второй фирмы на это ушел год, то конечно же первая фирма будет находиться в более выгодном положении на рынке. Современная станкостроительная фирма считается конкурентоспособной, если время от идеи создания нового современного станка до выхода первого образца этого станка за ее ворота составляет не более 1,5 лет.
Третьей целью и задачей автоматизации технологической подготовки производства является повышение качества разрабатываемых технологических процессов. Эта необходимость объясняется следующими причинами.
Техническое перевооружение современного машиностроительного производства осуществляется в основном по двум направлениям:
1. Замена универсального оборудования с ручным управлением, обслуживаемого рабочим высокой квалификации, оборудованием с автоматическим циклом обработки. Переналадка такого оборудования осуществляется наладчиками по тщательно разработанным операционным и наладочным картам. Возможно многостаночное обслуживание такого оборудования. В связи с увеличением дефицита квалифицированных рабочих это направление достаточно перспективно, особенно в условиях средне – и крупносерийного производства.
2. Внедрение станков с ЧПУ, обладающих гораздо большей степенью универсальности. Их переналадка занимает в десятки раз меньшее время, чем в первом случае. Но и здесь необходимо тщательно прорабатывать технологические процессы и затем составлять управляющие программы.
Необходимость тщательной проработки технологических решений в приведенных выше случаях объясняется тем, что указанное оборудование является дорогостоящим и использовать его нужно рационально.
Принцип накопления технологических знаний, реализованный во многих современных системах автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП), позволяет разрабатывать качественные технологические процессы. Знания опытных технологов, накапливаемые в САПР ТП, сами технологические процессы, разработанные ими, которые могут быть взяты за основу при разработке новых технологических процессов, позволяют повысить общий уровень технологической подготовки производства.
При ручном проектировании технолог сравнивает в уме ряд вариантов разрабатываемого технологического процесса (состав и содержание операций, варианты станков, инструментов и т.д.) и интуитивно выбирает лучшие на его взгляд решения. Подробного экономического обоснования не производится за неимением времени. Применение ЭВМ на базе соответствующих математических моделей позволяет находить оптимальные технологические решения.
Кроме этого с применением САПР практически исключаются «человеческие» ошибки. Если компьютер работает на основе качественного программного обеспечения, технически исправен, то при вводе одинаковых входных данных любое количество раз выдаются правильные результаты.
ЛЕКЦИЯ 2
Место САПР ТП в автоматизированной системе технологической подготовки производства.
Что такое проектирование? Точного и окончательного определения этого понятия не существует. Разные теоретики проектирования пытаются дать свои определения. Приведем некоторые из этих определений.
Проектирование - приведение изделия в соответствие с обстановкой при максимальном учете всех требований (Грегори).
Проектирование – творческая деятельность, которая вызывает к жизни нечто новое и полезное, чего ранее не существовало (Ризуик).
Проектирование – процесс, который кладет начало изменениям в искусственной среде (Дж. К. Джонс). Под искусственной средой здесь понимаются: транспорт, здания, средства связи, изделия и т.д.
Проектирование – процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта, на основе первичного описания данного объекта и (или) алгоритма его функционирования … (ГОСТ 22487).
Проектирование является сложным творческим процессом целенаправленной деятельности человека, основанным на глубоких научных знаниях, использовании практического опыта и навыков в определенной сфере.
Автоматизированное проектирование – проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования …, осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ (ГОСТ 22487).
Функции между человеком и ЭВМ должны быть рационально распределены. Человек должен решать задачи творческого характера, а ЭВМ – задачи, допускающие формализованное описание в виде алгоритма рутинного характера.
Преимуществом автоматизированного проектирования является возможность проводить на ЭВМ эксперименты на математических моделях. Это значительно сокращает дорогостоящее физическое моделирование. Математические модели при этом должны удовлетворять требованиям универсальности, точности, адекватности и экономичности.
Система автоматизированного проектирования (САПР) – комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователей системы), выполняющий автоматизированное проектирование (ГОСТ 22487).
Объектами проектирования в САПР могут быть здания, сооружения, металлорежущие станки и т.д., в САПР ТП – технологические процессы.
Проектирование по содержанию – это процесс переработки определенного объема различной информации. Входами такого процесса (рис. 2.1) являются:
1. Замысел (цель) проектирования, выраженный в виде определенной совокупности условий и требований, которым должен удовлетворять искомый объект.
2. Средства, т.е. факторы, которыми можно варьировать при проектировании.
Выход процесса – 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).
Таким образом, смысл процесса проектирования в любой САПР независимо от объекта проектирования один и тот же: получить в соответствие с замыслом такую информационную систему – модель, которая позволяет создать систему – оригинал, полностью соответствующую замыслу.
В процессе проектирования с помощью САПР в качестве промежуточных и окончательных решений используют математические модели:
· формы и геометрических параметров;
· структуры;
· временных и пространственно – временных отношений;
· функционирования;
· состояний и значений свойств объекта;
· имитационные.
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 позволяют, учитывая большую совокупность случайных факторов проигрывать (имитировать) на ЭВМ многочисленные и разнообразные реальные ситуации, в которых может оказаться будущий объект проектирования.
При создании и приобретении САПР и их составных частей 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. Пользовательработает 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, выполняемы ЭВМ. Человек видит информационные объекты, получаемые посредством средств 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.
Состав и структура САПР
Составными частями САПР являются подсистемы. В каждой подсистеме решается функционально законченная последовательность задач.
Любая САПР состоит из проектирующих подсистем и обслуживающих подсистем.
Проектирующие подсистемы выполняют процедуры и операции получения новых данных. Они имеют объектную ориентацию и реализуют определенный этап проектирования или группу взаимосвязанных проектных задач. Примеры: подсистемы проектирования технологических процессов сборки, механической обработки, расчета режимов резания и т.д.
Обслуживающие подсистемы имеют общесистемное применение и служат для обеспечения функционирования проектирующих подсистем, а также для оформления, передачи и вывода результатов проектирования. Примеры: система управления базой данных, подсистемы ввода – вывода данных, документирования и т.д.
ЛЕКЦИЯ 3
Описание обеспечивающих подсистем САПР ТП: информационного, программного, математического, лингвистического, организационного обеспечения.
Виды обеспечения САПР
При разработке, внедрении, эксплуатации любой САПР, в том числе и САПР ТП следует иметь в виду, что эта работа требует многогранного (всестороннего) подхода к данной проблеме. Поэтому необходимо рассматривать, по крайней мере, следующие виды обеспечения (по – другому стороны, грани) САПР:
· техническое;
· программное;
· методическое;
· математическое;
· информационное;
· лингвистическое;
· организационное.
Данные виды обеспечения САПР расположены здесь и рассматриваются ниже не в порядке их важности (приоритетности), а в порядке их перечисления.
Техническое обеспечение САПР
Основу технического обеспечения САПР составляет, как правило, персональный компьютер. Конструктивно он представляет собой системный блок, состоящий из корпуса с блоком питания, в котором установлены: материнская плата с процессором, оперативной памятью, видеокартой (видеоплатой), при необходимости звуковой картой и сетевой картой; жесткий диск (винчестер); привод для компакт – дисков; привод для дискет. Кроме этого в состав компьютера обязательно входит монитор (дисплей), клавиатура, манипулятор «мышь». Это основные устройства компьютера. Кроме них применяются периферийные устройства: принтер, плоттер, звуковые колонки, микрофон, цифровой фотоаппарат, цифровая видеокамера.
Пример обозначения параметров компьютера:
Intel Pentium 4 – 1700 MHz/128 Mb DDR/40 Gb HDD/32 Mb Video/52x CD – ROM/FDD 1,44 Mb/Монитор 17’’/Клавиатура/Мышь.
Здесь: Intel Pentium 4 – тип процессора; 1700 MHz – его тактовая частота в мегаГерцах; 128 Mb – объем оперативной памяти в мегаБайтах; DDR – тип оперативной памяти; 40 Gb – объем винчестера в гегаБайтах; 32 Mb – объем видеопамяти (видеокарты); 52х CD – ROM – наличие и характеристика привода для компакт – дисков; FDD 1,44 Mb – наличие привода для дискет и объем дискеты; Монитор 17’’ – наличие монитора с размером экрана 17 дюймов по диагонали; Клавиатура/Мышь – наличие клавиатуры и мыши.
На практике в настоящее время широко применяются локальные вычислительные сети (ЛВС). Это принадлежащая одной организации коммуникационная система, связывающая различные аппаратные средства: компьютеры, принтеры, плоттеры. Слово «локальная» указывает на близость расположения компьютеров. Диапазон действия ЛВС колеблется от нескольких метров до 8 – 10 км.
ЛВС предоставляет пользователям следующие возможности:
· обмен информацией (сообщениями электронной почтой, файлами текстовых документов, чертежей и программ);
· разделение ресурсов компьютеров, т.е. совместное использование баз данных и программ, хранящихся на любом из компьютеров сети (либо на удаленном мощном компьютере – сервере с жестким диском большой емкости);
· вывод информации, например, на дорогостоящий лазерный принтер или плоттер, подключенный только к одному из компьютеров сети.
ЛВС состоит из следующих основных элементов:
· файлового сервера;
· рабочих станций;
· сетевой операционной системы;
· несущей среды (кабелей), сетевых карт и других аппаратных средств.
Сервер – это мощная ПЭВМ, на жестком диске которой хранятся прикладные программы, базы данных и т.д., необходимые для работы пользователей сети. Сервер, предназначенный только для обслуживания сетевых запросов, называется выделенным. При генерации (установке) сети можно сформировать и совмещенный сервер, на котором можно работать как на рабочей станции.
Рабочие станции – подключенные к сети ПЭВМ, на которых работают отдельные пользователи.
Каждая рабочая станция и сервер в ЛВС должны иметь специальное программное обеспечение: сетевую оболочку или операционную систему.
Кабель в ЛВС определяет физическую среду передачи информации. Существует три типа кабелей:
1. Витая пара (физически этот кабель состоит из четырех витых пар в оплетке, одна пара используется для передачи информации в одном направлении, вторая – в другом направлении, две оставшиеся пары предназначены для передачи служебных сообщений по сети, на практике иногда они не используются).
2. Коаксиальный (типа телевизионного).
3. Волоконно – оптический (физически это кварцевая нить в полимерной оплетке, оплетка предназначена для придания гибкости кабелю; передача информации по кабелю производится световыми излучениями с разной длиной волны, за счет чего образуется ряд информационных каналов).
Скорость передачи информации – важнейший показатель эффективности сети, она измеряется в Мбит/с, Гбит/с. Скорость передачи информации по витой паре составляет от 10 до 100 Мбит/с, по коаксиальному кабелю – от 0,5 до 10 Мбит/с, по волоконно – оптическому теоретически – сотни Гбит/с, практически – около 2 Гбит/с (за счет более низкой пропускной способности приемных и передающих устройств).
Сетевые карты физически могут быть встроены в материнскую плату или устанавливаться в разъемы системного блока компьютера. Их тип определяется выбранной топологией сети.
В ЛВС компьютеры располагаются сравнительно недалеко друг от друга. Для связи на большом расстоянии можно использовать аппаратуру обычных телефонных линий, которая, правда, поддерживает относительно низкую скорость передачи информации. Дополнительным устройством при этом является модем. Когда с компьютера информация передается по телефонной линии, передаваемые сигналы подвергаются мод уляции, а когда принимается – дем одуляции. Отсюда название – модем. Назначение модема – замена двоичного сигнала компьютера (сочетания 0 и 1) аналоговым сигналом с частотой, соответствующей рабочему диапазону телефонной линии.
Конструктивно модем – это печатная плата, вставляемая в компьютер или присоединяемая к нему, связанная с кабелем, подключаемым к телефонной розетке.
Телефонные сети начинают переводиться на цифровые сигналы, совместимые с сигналами компьютеров. Поэтому необходимость в модемах в перспективе отпадет.
Программное обеспечение САПР
Программное обеспечение (ПО) САПР – совокупность машинных программ и сопутствующих им эксплуатационных документов, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.
ПО подразделяется на общее и прикладное (специальное). В свою очередь, общее ПО можно подразделить, на общесистемное программное обеспечение и языки (среды, студии) программирования.
Общесистемное ПО служит для организации функционирования технических средств. Его основу составляет операционная система.
Операционная система – это комплекс программ, который загружается при включении компьютера. Она производит диалог с пользователем, осуществляет управление компьютером, его ресурсами (оперативной памятью, местом на дисках и т.д.), запускает прикладные программы на выполнение и т.д.
Зачем нужна операционная система? Основная причина заключается в том, что элементарные операции для работы с устройствами компьютера и управления его ресурсами – это операции очень низкого уровня. Поэтому действия, которые необходимы пользователю и прикладным программам, состоят из сотен и тысяч таких элементарных операций.
Например, накопитель на магнитных дисках «понимает» только такие элементарные операции, как включить/выключить двигатель дисковода, установить читающие головки на определенный цилиндр и т.д. И даже для выполнения такого несложного действия, как копирование файла с дискеты на винчестер или наоборот, необходимо выполнить большое количество элементарных операций. Операционная система скрывает от пользователя эти сложные и ненужные подробности и предоставляет ему удобный интерфейс для работы с компьютером.
Персональные компьютеры ранее работали под управлением операционной системы MS DOS фирмы Microsoft Corp. Для еще большего упрощения работы с компьютером раньше применялись операционные программы («оболочки») такие, как Norton Commander и DOS Navigator. В настоящее время используются Windows Commander, FAR manager. Но необходимости в них большой нет, т.к. такие операции, как создание каталогов (папок), копирование файлов и т.д. легко выполняется и средствами операционной системы типа Windows, под управлением которой работают большинство современных персональных компьютеров. Версии этой операционной системы: Windows 3.1, Windows 3.11, Windows 95, Windows 98, Windows 2000, Windows XP.
Операционная система типа Windows предоставляет следующие возможности для программистов:
1. Независимость программ от внешних устройств. DOS – программа может работать с аппаратными средствами компьютера (монитором, клавиатурой, принтером и т.д.) непосредственно, минуя DOS. Windows – программа может обращаться к внешним устройствам только через Windows. Это снимает с программиста проблему обеспечения совместимости с конкретными внешними устройствами, т.к. ее берет на себя Windows. Поэтому любая Windows – программа может работать с любым внешним устройством, если с ним может работать Windows. Программы (драйверы) для поддержки наиболее распространенных устройств входят в Windows, а для остальных устройств – поставляются вместе с этими устройствами.
2. Наличие средств для построения пользовательского интерфейса. В Windows входят все необходимые средства для построения пользовательского интерфейса: окон, меню, запросов, списков и т.д. При этом стиль пользовательского интерфейса практически стандартен и считается одним из лучших.
3. Доступность всей оперативной памяти. В отличие от MS DOS средства управления оперативной памятью Windows обеспечивают доступность всей оперативной памяти компьютера (а не только ее части), что облегчает создание больших программ.
Другие возможности: обмен данными между приложениями Windows, организация встроенных справочных программ и т.д.
Для пользователей Windows предоставляет следующие возможности:
1. Единый пользовательский интерфейс. Т.к. Windows предоставляет программисту все необходимые средства для создания пользовательского интерфейса (окон, меню и т.д.), то программисты пользуются ими, а не изобретают собственные средства. Вследствие этого пользовательский интерфейс Windows – программ в значительной степени унифицирован, и пользователям не требуется изучать для каждой программы новые принципы организации взаимодействия с этой программой.
2. Многозадачность. Windows обеспечивает возможность одновременного выполнения нескольких программ, переключения с одной задачи на другую, управления приоритетами выполняемых программ.
3. Поддержка мультимедиа. При подключении соответствующих устройств Windows может воспринимать звуки от микрофона, компакт – диска, изображения от цифрового фотоаппарата, цифровой видеокамеры или с компакт – диска, выводить звуки на колонки или в наушники, выводить на экран монитора движущиеся изображения.
Другие возможности: совместимость с DOS – приложениями, удобство поддержки устройств, поддержка масштабируемых шрифтов и т.д.
Для создания программ используются языки (среды, студии) программирования.
ЛЕКЦИЯ 4
САПР в компьютерно – интегрированном производстве
Одной из важнейших функций инженера являются проектирование изделий и технологических процессов их изготовления. В связи с этим САПР принято делить по крайней мере на два основных вида:
· САПР изделий (САПР И);
· САПР технологических процессов (САПР ТП) их изготовления.
Ввиду того, что на Западе сложилась своя терминология в области автоматизированного проектирования и она часто используется в публикациях, будем рассматривать и «западные» и отечественные термины.
САПР изделий. На Западе эти системы называют CAD (Computer Aided Design). Здесь Computer – компьютер, Aided – с помощью, Design – проект, проектировать. Т.е. по – существу термин «CAD» можно перевести как «проектирование с помощью компьютера». Эти системы выполняют объемное и плоское геометрическое моделирование, инженерные расчеты и анализ, оценку проектных решений, изготовление чертежей.
Научно – исследовательский этап САПР иногда выделяют в самостоятельную автоматизированную систему научных исследований (АСНИ) или, используя западную терминологию, автоматизированную систему инжиниринга – CAE (Computer Aided Engineering). Пример такой системы в России – «изобретающая машина», поддерживающая процесс принятия человеком новых нестандартных решений, иногда и на уровне изобретений.
САПР технологии изготовления. В России эти системы принято называть САПР ТП или АС ТППП (автоматизированные системы технологической подготовки производства). На Западе их называют CAPP (Computer Automated Process Planning). Здесь Automated – автоматический, Process – процесс, Planning – планировать, планирование, составление плана. С помощью этих систем разрабатывают технологические процессы и оформляют их в виде маршрутных, операционных, маршрутно – операционных карт, проектируют технологическую оснастку, разрабатывают управляющие программы (УП) для станков с ЧПУ.
Более конкретное описание технологии обработки на оборудовании с ЧЧПУ (в виде кадров управляющей программы) вводится в автоматизированную систему управления производственным оборудованием (АСУПР), которую на Западе принято называть CAM (Computer Aided Manufacturing). Здесь Manufacturing – производство, изготовление. Техническими средствами, реализующими данную систему, могут быть системы ЧПУ станков, компьютеры, управляющие автоматизированными станочными системами.
Помимо этого различают: систему производственного планирования и управления PPS (Produktionsplaungs system), что соответствует отечественному термину АСУП (автоматизированная система управления производством), а также систему управления качеством CAQ (Computer Aided Qulity Control). Здесь Qulity – качество, Control – управление. В России используется термин АСУК (автоматизированная система управления качеством).
Самостоятельное использование систем CAD, CAM дает экономический эффект. Но он может быть существенно увеличен их интеграцией посредством CAPP. Такая интегрированная система CAD/CAM на информационном уровне поддерживается единой базой данных. В ней хранится информация о структуре и геометрии изделия (как результат проектирования в системе CAD), о технологии изготовления (как результат работы системы CAPP) и управляющие программы для оборудования с ЧПУ (как исходная информация для обработки в системе CAM на оборудовании с ЧПУ) – рис.4.1.
Основные системы компьютерно – интегрированного производства (КИП) показаны на рис.4.2.
Этапы создания изделий могут перекрываться во времени, т.е. частично или полностью выполняться параллельно. На рис. 4.2. показаны лишь некоторые связи этапов жизненного цикла изделий и автоматизированных систем. Так, например, автоматизированная система управления качеством взаимосвязана практически со всеми этапами жизненного цикла изделия.
В настоящее время основной тенденцией в достижении высокой конкурентоспособности западных и российских предприятий является переход от отдельных замкнутых САПР и их частичного объединения к полной интеграции технической и организационной сфер производства. Такая интеграция связывается с внедрением модели компьютерно – интегрированного производства (КИП) или в западной версии CIM (Computer Integrated Manufacturing).
Информационная структура компьютерно – интегрированного производства показана на рис.4.3.
В структуре компьютерно – интегрированного производства выделяются три основных иерархических уровня:
1. Верхний уровень (уровень планирования), включающий в себя подсистемы, выполняющие задачи планирования производства.
2. Средний уровень (уровень проектирования), включающий в себя подсистемы проектирования изделий, технологических процессов, разработки управляющих программ для станков с ЧПУ.
3. Нижний уровень (уровень управления) включает в себя подсистемы управления производственным оборудованием.
Построение компьютерно – интегрированного производства включает в себя решение следующих проблем:
· информационного обеспечения (отход от принципа централизации и переход к координированной децентрализации на каждом из рассмотренных уровней как путем сбора и накопления информации внутри отдельных подсистем, так и в центральной базе данных);
· обработки информации (стыковка и адаптация программного обеспечения различных подсистем);
· физической связи подсистем (создание интерфейсов, т.е. стыковка аппаратных средств ЭВМ, включая использование вычислительных систем).
Внедрение компьютерно – интегрированного производства значительно сокращает общее время прохождения заказов за счет:
· уменьшения времени передачи заказов с одного участка на другой и уменьшения времени простоя при ожидании заказов;
· перехода от последовательной к параллельной обработке;
· устранения или существенного ограничения повторяемых ручных операций подготовки и передачи данных (например, машинное изображение геометрических данных можно использовать во всех отделах, связанных с конструированием изделий).
ЛЕКЦИЯ 5
Системное проектирование и стратегии проектирования технологических процессов
Системное проектирование технологических процессов
Системное проектирование технологических процессов особенно с использованием ЭВМ включает в себя использование двух основных принципов:
Принцип 1. Применение при проектировании технологических процессов системного подхода, который основывается на следующем:
а) 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. Т.е. необходимо говорить о структуре технологического процесса.
Структура технологического процесса – это множество его элементов и множество связей между ними.
Если 
- множество элементов технологического процесса, 
- множество связей между элементами, то 
- структура технологического процесса (рис.5.1 и 5.2);
б) 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;
в) 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.;
г) 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». Рис. 5.3 (а, б) показывает, чем отличается представление знаний без использования принципов системного проектирования и с использованием этих принципов.
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 (рис.5.4 – 5.7).
В идеале необходимо стремиться к выбору или разработке линейной стратегии проектирования. Она является идеальной 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 (рис.5.8).
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).
ЛЕКЦИЯ 6
Математическое моделирование при автоматизированном проектировании технологических процессов
Выполнение проектных процедур при автоматизированном проектировании основано на оперировании с 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.
В САПР технологических процессов находят применение структурно – логические и функциональные математические модели.
Структурно – логические математические модели подразделяются на табличные, сетевые и перестановочные.
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 типовых проектных решений.
Пример. При обработке группы деталей 
на прутковом токарном автомате последовательность обработки их поверхностей устанавливается с помощью табличных моделей. Каждая деталь (рис.6.1) имеет поверхности с определенными свойствами 
:
На рис.6.2. представлены табличные модели в виде графов взаимосвязей переходов при обработке деталей на данной операции.
На рис.6.2. приняты следующие обозначения: 
- операторы (технологические переходы): 
- подрезка торца; 
- точение наружной цилиндрической поверхности; 
- сверление; 
- зенкерование; 
- зенкование; 
- отрезка.
Для представления данных об обработке деталей на данной операции на языке, понятном компьютеру, удобном для программирования, представленная выше информация может быть удобно описана в виде двух таблиц(6.1 и 6.2), которые легко превращаются в массивы.
Таблица 6.1
Связи между свойствами поверхностей деталей и операторами(технологическими переходами)
В этой, а также последующих таблицах данной лекции логическая единица обозначает наличие связи, а нуль – отсутствие таковой.
Таблица 6.2
Связи между совокупностями свойств деталей и операторами (технологическими переходами)
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 рис.6.3.
На рис.6.4. показан граф взаимосвязи операторов (технологических операций) по возможной последовательности их выполнения.
Рис.6.4. Граф взаимосвязи операторов (технологических операций) по возможной последовательности их выполнения
Приведенный на рис.6.4 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) – табл.6.3.
Таблица 6.3
Связи между свойствами поверхностей детали и операторами технологического процесса
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 (рис.6.5).
На рис.6.5 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.
Характерным примерами функциональных моделей являются математические модели, используемые при расчете и оптимизации режимов резания.
ЛЕКЦИЯ 7
Типовые решения в САПР технологических процессов
Главные особенности проектирования технологических процессов:
1. Многовариантность проектных решений.
2. Слабая формализация многих проектных задач.
Действительно, при проектировании технологических процессов круг задач формального расчетного характера, которые легко реализуются на ЭВМ, крайне ограничен. Среди них можно выделить следующие задачи:
- расчет припусков и межпереходных размеров;
- расчет режимов резания;
- нормирование технологического процесса.
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. Т.е. 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: каким – либо образом описывается весь набор типовых решений, а также условий, при которых может быть применено каждое из них. Эти данные описываются заранее в виде базы данных и заранее же вводятся в ЭВМ. При разработке технологического процесса в ЭВМ вводятся некоторые исходные данные по детали. После этого проверяется соответствие исходных данных условиям применимости типовых решений. При выполнении всех условий комплекса условий применимости принимается соответствующее типовое решение.
Пример. Назначить станок на операцию зубошевингования. Пусть на предприятии имеются зубошевинговальные станки трех моделей. Они составляют множество типовых решений (МТР): 
.
Сформулируем комплекс условий применимости выявленных типовых решений:
1 условие. Размещаемость детали в рабочей зоне станка. Здесь регламентируются габаритные размеры детали (диаметр зубчатого колеса 
и его ширина 
), которые должны находиться в пределах, допустимых рабочей зоной станка.
2 условие. Диапазоны допустимого изменения модуля детали 
и угла наклона зуба детали 
.
Комплекс условий применимости (КУП) в данной задаче может быть представлен в виде следующей системы:
На основе паспортных данных станков сформированы условия их применимости, которые представлены в таблице 7.1.
Таблица 7.1
Условия применимости зубошевинговальных станков
Важно определиться, входят или нет границы интервалов, указанные в таблице в соответствующий интервал. В данном примере предполагается, что входят, т.е., например, для 
можно применить станок модели 5А702Г, или для 
- станок модели 5717С и т.д. Блок – схема алгоритма выбора модели зубошевинговального станка показана на рис. 7.1.
В данном алгоритме заложен принцип предпочтительности применения станков малых размеров. Например, при 
выбирается станок модели 5А702Г, хотя подходит и станок модели 5717С.
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 зубошевингования (см. выше). Типовые решения в данном случае (модели станков) являются локальными типовыми решениями. Приведем еще примеры множеств локальных типовых решений (МЛТР).
Здесь 
- множество технологических переходов; 
- 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 
- типовой технологический процесс изготовления шестерни; 
- типовой технологический процесс изготовления втулки.
Типовые решения различают по своей структуре. 
- 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.
При автоматизированном проектировании технологических процессов применяют типовые и групповые технологические процессы.
Типовые технологические процессы
Типизация на уровне обработки детали в целом имеет целью изготавливать сходные по тем или иным конструктивно – технологическим признакам детали по унифицированным технологическим процессам, разработанным предварительно с учетом совершенных технологических методов.
Идея типизации впервые была высказана профессором А.А.Соколовским. Она заключается в классификации деталей по конструктивно – технологическим признакам: форме, размерам, точности и т.д. Конечная цель классификации – установление принадлежности детали к определенному типу, т.е. к совокупности деталей, имеющих в данных производственных условиях общую структуру операций и переходов. Детали одного типа в определенной степени могут отличаться набором поверхностей и некоторыми параметрами. Поэтому технологический процесс обработки конкретной детали получается из типового путем исключения лишних операций и переходов обработки отсутствующих поверхностей. Доработка типового технологического процесса включает в себя также:
· уточнение технологического оснащения (оборудования, приспособлений, инструментов);
· перерасчет межпереходных размеров;
· выбор (расчет) режимов резания;
· выбор и расчет норм времени.
Групповые технологические процессы
Групповой метод обработки был впервые предложен профессором С.П.Митрофановым. Он представляет собой такой способ унификации технологии, при котором для обработки группы деталей устанавливается одинаковое оборудование и оснащение при выполнении всех или отдельных операций. В основе метода лежит классификация, заканчивающаяся формированием группы, т.е. совокупности деталей, характеризующихся общностью оборудования и оснащения, необходимых для обработки детали в целом или отдельных ее поверхностей.
Технологический процесс обработки конкретной детали формируется путем уточнения общих поверхностей с комплексной деталью группы и выбора из группового технологического процесса только тех операций и переходов, которые необходимы для обработки поверхностей заданной детали.
Доработка индивидуального технологического процесса аналогична приведенной выше доработке при использовании при проектировании типовых технологических процессов.
ЛЕКЦИЯ 8
Методики автоматизированного проектирования технологических процессов
Технологический процесс, как объект проектирования, можно представить в виде иерархической структуры, расчлененной на несколько взаимосвязанных уровней (рис.8.1).
В результате такой декомпозиции процесс проектирования технологического процесса сводится к решению задач различной степени детализации на взаимосвязанных уровнях: от формирования состава и структуры маршрута обработки до разработки управляющих программ и расчета режимов резания для обработки отдельных поверхностей.
Процесс формирования технологического процесса в общем случае – совокупность процедур структурного и параметрического синтеза с последующим анализом проектных решений (рис. 8.2).
Структурный синтез реализуется на уровнях формирования операций и переходов, а параметрический – на уровне выбора базы, определения межпереходных размеров, расчета режимов резания и т.д. (см. рис. 8.1).
В зависимости от степени полноты реализации синтеза (главным образом структурного) и анализа можно выделить три основных методики автоматизированного проектирования технологического процесса:
1. Метод прямого проектирования (документированного).
2. Метод анализа (адресации, аналога).
3. Метод синтеза.
В реальной САПР технологических процессов может быть реализован один метод или любая комбинация данных методов.
Метод прямого проектирования
Данный метод предполагает, что подготовка проектного документа (технологической карты) возлагается на самого пользователя, выбирающего типовые решения различного уровня из базы данных в диалоговом режиме.
Заранее создается и заполняется технологическая база данных, включающая в себя информацию об имеющихся на предприятии заготовках, станках, приспособлениях, инструментах и т.д. База данных имеет структурированный характер, т.е. четко разделена на разделы, подразделы, страницы, отдельные поля (фразы).
Пользователю представляются меню на разных уровнях проектирования для выбора заготовок, операций, станков, приспособлений, переходов, инструментов и т.д. Выбранная пользователем из базы данных информация автоматически заносится в графы и строки шаблона технологической карты. После этого в режиме редактирования информация при необходимости может редактироваться, а затем распечатываться в форме, предусмотренной соответствующим ГОСТом.
Метод анализа
В его основе лежат полные типовые решения. Данный метод исходит из того, что структура индивидуального технологического процесса не создается заново. Она определяется в соответствии с составом и структурой одного из унифицированных технологических процессов, т.е. соответствующего типового или группового технологического процесса. Это осуществляется путем анализа необходимости каждой операции и перехода с последующим уточнением всех решений на уровнях декомпозиции «сверху – вниз». Т.о., этот метод воплощает идею «от общего к частному».
Этот метод в общем случае реализует следующую схему проектирования: ввод описания чертежа детали – определение конструктивно – технологического кода детали – поиск по коду в базе данных приемлемого унифицированного (типового или группового) технологического процесса – анализ его структуры – доработка в соответствии с описанием чертежа детали – оформление индивидуального технологического процесса.
Использование данного метода на этапе разработки и адаптации САПР ТП к условиям конкретного предприятия предполагает большую подготовительную работу. Из множества деталей заводской номенклатуры формируются группы, имеющие общие конструктивно – технологические признаки, способы обработки. Далее возможны два подхода:
1. В каждой группе выбирается деталь – представитель и для нее разрабатывается типовой технологический процесс. Все типовые технологические процессы для всех групп деталей заносятся в ЭВМ. При разработке индивидуального технологического процесса из типового технологического процесса, как правило, исключаются лишние операции и переходы. Иногда, что гораздо реже, недостающие операции и переходы могут добавляться в режиме ручного редактирования технологического процесса. Далее уточняется оборудование, технологическая оснастка, выбираются или рассчитываются режимы резания, рассчитываются нормы времени.
2. Для каждой группы формируется обобщенная модель всех деталей – комплексная деталь. Она включает все многообразие поверхностей рассматриваемой группы. Для комплексной детали разрабатывается унифицированный (групповой) технологический процесс. Он заведомо является избыточным, т.е. содержит операции и переходы по обработке всех деталей группы. Разработка индивидуального технологического процесса заключается в анализе необходимости включения в него операций и переходов из соответствующего группового технологического процесса. Или, другими словами, из группового технологического процесса исключаются лишние операции и переходы (см. рис.8.3). Затем выполняется, как и в первом случае, так называемая параметрическая настройка: уточнение оборудования, технологической оснастки, выбор или расчет режимов резания и т.д.
Так, например, в САПР «ТехноПро» (распространяется АО «Топ Системы», г. Москва) применен метод классификации деталей, аналогичный методу групповых технологических процессов и противоположный методу типовых технологических процессов. При использовании типовых технологических процессов детали разбиваются на возможно большее количество групп, для каждой из которых разрабатывается типовой технологический процесс. В ТехноПро напротив, как можно большее количество деталей объединяются в одну группу. По мере расширения группы возрастает гарантия того, что технологические процессы изготовления новых деталей будут автоматически спроектированы ТехноПро.
Для автоматического проектирования технологических процессов на основе принципа анализа в ТехноПро необходимо создать базу данных. Для этого нужно сгруппировать детали, в основном по сходству технологии их изготовления. При этом для каждой группы создается общий технологический процесс, который содержит весь перечень операций изготовления всех деталей группы. Для создания общего технологического процесса используются технологические процессы, уже освоенные в производстве. Можно использовать «бумажные» варианты технологических процессов с последующим их «превращением» в электронный вариант или конкретные технологические процессы, созданные в ходе работы с ТехноПро в диалоговом режиме.
Создание общего технологического процесса осуществляется в следующей последовательности. Один из технологических процессов группы принимается за базовый и вводится в виде общего технологического процесса (можно скопировать один из конкретных технологических процессов, созданных в ходе работы в ТехноПро в диалоговом режиме). Затем в него добавляются недостающие операции и переходы из других технологических процессов (конкретных технологических процессов).
При добавлении выявляются признаки, в зависимости от которых необходимо выбирать ту или иную операцию, переход или маршрут. Проверка каждого из признаков вносится в виде условий в базу ТехноПро. Примерами таких условий являются проверки: вида заготовки, марки или твердости материала детали, габаритов детали, наличия определенных элементов конструкции (поверхностей), их размеров и т.д.
После создания общего технологического процесса можно приступать к автоматическому проектированию индивидуальных технологических процессов.
Для этого достаточно создать описание конструкции детали, для которой необходимо спроектировать технологический процесс ее обработки. Описание можно взять (считать автоматически) с электронной версии параметрического чертежа детали, созданного посредством системы геометрического моделирования T – FLEX (разработка уже упомянутой ранее фирмы «Топ Системы»). Описание чертежа детали можно создать также без использования графических средств, вводя необходимые данные с клавиатуры. Для ускорения можно скопировать подобную деталь из уже имеющихся в базе системы конкретных технологических процессов или скопировать макет общего технологического процесса.
Описание чертежа детали заключается в заполнении общих сведений о детали (данные из штампа и технические требования чертежа) и параметров элементов конструкции (поверхностей), имеющихся на чертеже детали.
После создания описания детали ей назначается общий технологический процесс соответствующей группы деталей. Затем запускается процесс автоматического формирования технологического процесса. В течение этого процесса ТехноПро выбирает из назначенного общего технологического процесса операции и переходы, необходимые для изготовления каждого элемента конструкции детали и переносит их в конкретный технологический процесс. Затем из в
