Всего на сайте:
236 тыс. 713 статей

Главная | Механика

Курс “Системи автоматизованого проектування технологічних процесів”, Зміст і завдання курсу  Просмотрен 1332

Конспект лекцій з курсу САПР технологічних процесів Врюкало В.В., Сторож Б.Д.

 

Конспект лекцій складено на основі робочої програми курсу “САПР технологічних процесів” і призначений для виконання студентами спеціальності “Технологія машинобудування” всіх форм навчання

 

 

Рецензент – канд. техн. наук, доцент В.Г.Панчук

 

 

Вступ

Зміст і завдання курсу

Курс “Системи автоматизованого проектування технологічних процесів” (САПР ТП) є безпосереднім продовженням загальноінженерного курсу "Основи САПР" і фахового курсу “Технологія машинобудування”. Він має своїм завданням дати знання, вміння і навички у галузі автоматизованого проектування технологічних процесів.

Після проходження курсу студент повинен уміти виконувати на ЕОМ такі види робіт:

- користуватися існуючими системами;

- оформляти технологічну документацію;

- працювати з великими масивами даних;

- розробляти алгоритми постановки і розв’язку розрахункових і логічних технологічних задач на ЕОМ, зокрема, вести підготовку даних і розробляти алгоритми обробки табличних, сіткових і перестановчих моделей на ЕОМ.

 

1.2 Тенденції сучасного машинобудування. Місце і роль САПР ТП у машинобудівному виробництві [1, 2]

Визначальними рисами сучасного машинобудування є постійне підвищення складності і якості виробів, збільшення номенклатури виробів, зменшення серійності їх виробництва, скорочення їх “життєвого циклу”, тобто часу знаходження виробів у виробництві до заміни їх новими, ефективнішими конструкціями.

Так, різноманітність об’єктів виробництва подвоюється кожні 10 років, їх складність (за числом елементів) подвоюється кожні 15 років, “життєвий цикл” виробів за останні 20 років скоротився утричі і нині не перевищує 0,5...5 років.

Вітчизняна і, особливо, зарубіжна практика останніх 15...20 років показала, що найважливішими напрямами інтенсифікації виробництва, підвищення його конкурентноспроможності є його комплексна автоматизація та підвищення гнучкості. Для традиційної технології таке поєднання - автоматизація і гнучкість несумісні. Однак величезні успіхи науки і техніки, передовсім в електроніці та мікропроцесорній техніці, дали змогу створити ефективні і надійні засоби технологічного оснащення (ЗТО): верстати і роботи з ЧПК, керовані ЕОМ. Саме на цій основі в цей період створена, успішно працює і розвивається так звана гнучка технологія.

Їй притаманні: високі продуктивність, точність, стабільність точності, а також технологічна гнучкість, тобто малі затрати часу і коштів на переналагодження, значне (на порядок) зменшення числа виробничників і поліпшення умов праці, спрощення технологічної підготовки виробництва (ТПВ) через використання універсальної або швидкопереналагоджуваної оснастки (затрати коштів і терміни ТПВ скорочуються у 2...3 рази).

Однак набутий досвід використання гнучкої технології показав, що найбільших успіхів можна досягти тільки за умови комплексної автоматизації всього виробничого процесу. Автоматизація повинна охоплювати і технологію, і технічну підготовку виробництва, і управління виробництвом. Саме такий напрям почав інтенсивно розвиватися з 1980-х років. Він отримав назви:

- ГАВ - гнучкі автоматизовані (або інтегровані) виробництва (у нашій країні);

- СІМ – computer integrated manufacturing (за кордоном).

Взаємозв’язані підсистеми, які охоплює інтегроване виробництво, наведені в таблиці 1.1.

У зарубіжній практиці автоматизовані системи технічної підготовки виробництва і управлінням вириробництвом фігурують під назвою CAD/САМ – computer aided design / computer aided manufacturing.

Отже, САПР ТП – це важлива складова інтегрованого виробництва. На підприємствах, де ще немає інтегрованих систем, САПР ТП використовують як автономний засіб автоматизації ТПВ. Іноді на підприємствах обмежуються ще тільки окремими автоматизованими підсистемами низького рівня для розв’язку локальних технологічних задач (оформлення технологічної документації, нормування, розробка керуючих програм для верстатів з ЧПК).

Зазначимо, що поштовхом до розробки перших САПР ТП було створення в Масатчусетському технологічному інституті (США) в 1953-55 роках перших систем числового програмного керування металорізальними верстатами. Власне потреба комплексного підходу до автоматизації як виробництва, так і його інженерної підготовки зумовила цілком очевидну потребу в САПР ТП. Першими такими системами були системи автоматизованої підготовки керуючих програм для верстатів з ЧПК. Термін САПР вперше був використаний основоположником цього напрямку (керівником робіт по розробці систем ЧПК і САПР) Айвеном Сазерлендом в його лекціях, які він прочитав в Масатчусетському технологічному інституті на початку 60-х років.

Таблиця 1.1 – Підсистеми інтегрованого виробництва

1. АСНД 2. САПР – К 3. АСТПВ: САПР ТП (-І, -Пр) 4. АСУВ 5. АСУТП
Наукове забезпечення виробництва Технічна підготовка виробництва Виробництво   
Передпроектні роботи, наукові дослідження техніки, технологічних методів, моделей організації і управління Конструк-торська підготовка виробництва: розробка конструкції виробів Технологічна підготовка виробництва: проектування ТП виготовлення виробів, проектування оснастки Організа-ційне і оперативне управління виробниц-твом, ресурсами на рівні заводу Керування елементами гнучкої технології – виробничими роботами, транспортом на рівнях дільниця, цех

1.3 Потреба і можливості автоматизованого проектування технологічних процесів [2]

Чи є такою вже актуальною потреба в автоматизації проектування технологічних процесів? Машинобудівна практика відповідає на це ствердно. Тут визначаються три вагомі причини:

1) велика і постійно зростаюча трудомісткість проектних робіт;

2) нагальна вимога скорочення термінів ТПВ;

3) неможливість традиційними методами виявити оптимальні варіанти.

У підготовці виробництва проектні роботи, у першу чергу роботи, пов’язані з розробкою технологічних процесів та засобів технологічного оснащення, є найбільш складними і трудомісткими. Так, в середньому, на 1 найменування нових деталей треба розробити 15 аркушів формату А4 різної текстової документації (маршрутні й операційні карти, карти ескізів і налагодження, інструкції і под.) та 5 креслень оснастки. Трудомісткість ТПВ, наприклад, ковшового екскаватора складає близько 100тис.год., гусеничного трактора – 600тис.год. Це потребує відповідно 50 та 300 людино-років роботи технолога (з умови, що річний фонд роботи технолога становить біля 2000год.). Трудозатрати конструкторської підготовки виробництва на ці ж вироби склали відповідно 50 та 120тис.год. У той же час обсяг робіт кожні 10 років зростає на порядок.

З іншого боку треба врахувати, що при традиційних методах проектування через великий обсяг робіт практично неможливо виявити оптимальний варіант технологічного процесу (а це втрати у виробництві), бо розрахунок навіть кількох варіантів дуже трудомісткий. Тому практично розраховують лише один варіант.

Машинний час роботи системи автоматизованого проектування в пакетному режимі – кілька хвилин.

В таблиці 1.2 подано аналіз особливостей проектних технологічних робіт і можливості їх автоматизації.

Таблиця 1.2 - Аналіз особливостей проектних технологічних робіт і можливість їх автоматизації

Групи задач технологічного проектування Частка в загальних витратах часу, %
1. Оформлення документів 2. Пошук необхідної інформації (виявлення характеристик ЗТО, сортаменту матеріалу, нормативів, стандартів, методик проектування, аналогів тощо) 3. Інженерні розрахунки (припусків, режимів різання, технологічних розмірів, керуючих програм для ЧПК, виконавчих розмірів оснастки і под.). Більшість розрахунків виконують за відомими і апробованими формулами й алгоритмами, вони часто повторюються 4. Логічні міркування і прийняття рішень (синтез структури ТП, операції, конструкції оснастки, вибір баз і схеми закріплення заготовки та інше). Саме вони багато у чому визначають ефективність ТП і складають творчий характер роботи інженера-технолога 30...50 15...20   20...40   £ 10

Якщо врахувати вимогу скорочення тривалості ТПВ, то потреба автоматизувати проектні роботи стане цілком очевидною.

Досвід показує, що автоматизоване проектування підвищує продуктивність ТПВ від 2 до 10 і більше разів (залежно від можливостей використовуваної системи), сприяючи при цьому підвищенню якості ТПВ. Останнє досягається як за рахунок пропрацювання варіантів та вибору оптимального технологічного процесу, так і завдяки тому, що технолог звільняється від повторюваних нетворчих задач і може використати час й інтелектуальні сили на принципові визначальні проблеми.

Однак на шляху розвитку та широкого впровадження автоматизованого проектування є певні труднощі:

- велика трудомісткість розробки систем автоматизованого проектування (десятки людино-років), що зумовлена багатоманітністю задач і алгоритмів, великим обсягом бази даних та програм (навіть для розв’язку локальних задач потрібно десятки тисяч операторів мови високого рівня), задачі 4-ї групи (див.табл 1.2) важко формалізуються;

- потреба в значних організаційних і психологічних перебудовах виробництва та фахівців (передовсім з тривалим досвідом неавтоматизованого проектування), що ускладнюється розмаїтістю систем та низьким рівнем їх уніфікації.

Засобами автоматизованого проектування майже повністю надзвичайно швидко можна виконати технологічні задачі 1, 2 та 3-ї групи. Наприклад, швидкість друкування текстової документації досягає 400...900 ряд/хв., пошук потрібної інформації, отримання зображення конструкції, наладки або траекторії руху інструмента при контролі керуючої програми потребують секунд. Найтривалішими для споживача є процедури підготовки і занесення початкової інформації.

Запитання для самоконтролю

1. Які тенденції притаманні розвитку сучасного машинобудування?

2. Назвіть основні риси гнучкої технології.

3. Які підсистеми є в складі інтегрованого виробництва, яке їх призначення?

4. Чим викликана потреба автоматизації проектування технологічних процесів?

5. Які труднощі є на шляху розвитку та впровадження автоматизованого проектування.

2 Особливості технологічного проектування

2.1 Проектування – процес перетворення інформації [2]

Мета проектування – дати опис поки що неіснуючого технологічного процесу (ТП) – його складу й алгоритму функціонування, встановленого ступеня докладності. Цей опис потрібен для організації технологічного процесу: виявлення, замовлення, а якщо необхідно, то і проектування та виготовлення необхідних засобів технологічного оснащення (ЗТО), їх встановлення і налагодження; визначення параметрів функціонування ЗТО; виявлення потрібних виконавців; організація матеріально-технічного постачання і, врешті-решт, виготовлення за цим описом технологічного процесу виробів. Такий опис ТП традиційно міститься в комплекті технологічних документів, а саме: маршрутній карті (МК), операційних картах (ОК), картах ескізів (КЕ), картах налагодження (КН), керуючих програмах (КП), відомостях матеріалів і оснастки, технологічних інструкціях. Його називають кінцевим описом ТП, а сам технологічний процес – об’єктом проектування (ОП). Опис ТП називають ще його регламентом, образом або знаковою моделлю ОП.

Для того, щоб почати і здійснити проектування, потрібна певна початкова інформація, зокрема, завдання на проектування і нормативно-довідкова інформація. У завданні на проектування (технічному завданні - ТЗ) міститься опис виробу в початковому (до виготовлення) і кінцевому (після виготовлення) станах, вказується обсяг випуску виробів і вимоги до кінцевого опису ОП.

Нормативно-довідкова інформація – це дані про ЗТО (їх технічні і технологічні характеристики), типові технологічні рішення, методику проектування, рекомендації до вибору параметрів технологічного процесу. Завдання на проектування називають також початковим описом ОП.

Оскільки під час технологічного проектування отримати кінцевий опис об’єкта проектування неможливо відразу, а лише через виконання численних етапів і процедур, то говорять про проміжні описи ОП на різних стадіях проектування.

Підсумовуючи зазначене вище, можна зробити висновок, що проектування – це процес перетворення інформації про технологічний процес, а саме – перетворення початкового опису технологічного процесу через проміжні описи в кінцевий.

2.2 Принцип ієрархічності й декомпозиції [2]

Особливість описів складних технічних об’єктів (а саме такими є технологічні процеси) полягає в тому, що за складністю такі описи мають бути узгоджені з можливостями сприйняття людиною та можливостями оперування ними під час їх перетворень як людиною, так і технічними засобами проектування. Ця вимога зобов’язує поділяти описи на складові частини-елементи (блоки), тобто структурувати опис технологічного процесу.

Принцип ієрархічності вимагає структурування описів об’єктів проектування по вертикалі за ступенем їх докладності. Весь опис поділяють на певне число ієрархічних рівнів (рівнів абстрагування) уявлень про технологічний процес, а саме:

1-ий – рівень принципової схеми;

2-ий – рівень маршрутної технології;

3-ий – рівень операційної технології;

4-ий – рівень керуючих програм.

Назву технологічного процесу можна вважати його описом нульового рівня.

На кожному ієрархічному рівні опис ОП поділяється на ряд складових елементів-блоків. Такий поділ по горизонталі з можливістю роздільного проектування блоків лежить в основі принципу декомпозиції.

Таким є, наприклад, поділ опису ТП на рівні принципової схеми на блоки – види робіт: “попередня термічна обробка”, “попередня механічна обробка”, “зміцнювальна термічна обробка”, “кінцева механічна обробка”, або на рівні маршрутної технології на блоки – операції (як-от: фрезерно-центрувальна, токарно-автоматна і т.і.).

Важливо підкреслити, що кожен елемент опису ОП певного рівня розглядається як ціле щодо його складових нижчого рівня і, одночасно, як складовий елемент відповідного елемента опису вищого рівня. Принцип декомпозиції дає змогу не лише створити описи, зручні для їх сприймання, а й виконувати їх подальше поглиблене пропрацювання паралельно, тобто незалежно від інших блоків з можливістю залучення до робіт різних виконавців. Це сприяє прискоренню виконання роботи і, завдяки спеціалізації виконавців, підвищенню якості проектів.

2.3 Зв’язок структури та параметрів технологічних процесів [1]

Для опису технологічного процесу використовують дві групи характеристик – характеристики структури і характеристики параметрів. Вони відрізняються не лише своєю суттю, а й способами їх виявлення під час проектування. Структуру можна описати переліком елементів в системі, а також часовими, просторовими й іншими зв’язками. Так, сукупність елементів технологічного процесу з їх часовим зв’язком можливо математично подати у вигляді множини Ф.

, (2.1)

де m – кількість елементів системи (наприклад, операції на рівні маршрутного опису, або переходів для окремої операції; їх послідовність вказує на часову послідовність елементів).

Параметри – це числові (кількісні) характеристики властивостей технологічного процесу. Їх поділяють на:

- параметри об'єкту виробництва, які характеризують властивості матеріалу, геометричну точність та якість поверхонь. Вони змінюються під час виконання технологічного процесу. Після завершення роботи jі-го елемента структури технологічного процесу набір параметрів об’єкту виробництва можна математично описати множиною Сі.

, (2.2)

де l – кількість параметрів для означення якісного стану об’єкта виробництва;

- технологічні параметри процесу та його елементів (станів, операцій, переходів, рухів) – кінематичні, силові, енергетичні, теплові, геометричні (розмірні), часові, як-от: режими різання, налагоджувальні розміри, припуски, елементи траєкторії рухомих органів верстатів, норми часу тощо. Технологічні параметри tі-го елемента технологічного процесу можуть бути описані множиною Ті

, (2.3)

де k – кількість значущих технологічних параметрів.

Взаємозв’язок структури та параметрів у технологічному процесі можна зобразити такою схемою:

 

Т1 Т2 Тm

  
 


С0 С1 С2 Сm-1 Cm

 

або у вигляді такого формального запису

. (2.4)

Словесно наведені схему і запис можна характеризувати так. Заготовка з множиною своїх параметрів С0 поступає на перший структурний елемент j1 технологічного процесу. Тут під впливом множини Т1 технологічних параметрів цього елементу заготовка змінює свої параметри на С1 і в такому стані піддається впливу другого структурного елементу j2 технологічного процесу з множиною його технологічних параметрів Т2. Внаслідок цього впливу формується нова якість об’єкта виробництва, описана множиною параметрів С2 і т.д. доти, аж поки в результаті останнього елементу jm під впливом Тm не сформуються кінцеві параметри об’єкта виробництва Сm.

Узагальнюючи підкреслимо, що описані схеми і запис є своєрідною математичною моделлю технологічного процесу як об’єкта проектування, призначенням якої є описати причинно-наслідковий і часовий зв’язок характеристик структури і параметрів технологічного процесу.

2.4 Структурування процесу проектування. Види проектування [2]

Як і опис технологічного процеса, так і сама процедура його отримання, тобто процес проектування технології, є складним. Тому для нього теж доцільно застосовувати принципи ієрархічності й декомпозиції. Згідно з принципом ієрархічності процес проектування ТП поділяють на етапи (етапи проектування маршрутної технології, операційної технології, керуючої програми). За принципом декомпозиції кожен етап по горизонталі поділяються на дрібніші блоки робіт – проектні процедури і далі на проектні операції.

Проектна процедура – це частина етапу, виконання якої завершується проектним рішенням.

Проектне рішення – це проміжний або кінцевий опис ОП, необхідний і достатній для розгляду з метою визначення подальшого напрямку проектних робіт або закінчення проектування. Наприклад, вибрано схему базування, метод обробки, план обробки, розраховано режим обробки. Прийняте проектне рішення має відповідати ТЗ для даного рішення.

Приклади проектних процедур: процедура вибору типового рішення, процедура оформлення технологічної документації (ТД), процедура розрахунку режимів різання, процедура оптимізації, процедура моделювання. Кожна проектна процедура характеризується набором параметрів, що зазвичай охоплюють: початкові дані, обмеження, математичну модель, розв’язуючу процедуру, проектне рішення та критерії його оцінки.

Проектна операція – це дія або сукупність дій, що входять у проектну процедуру, порядок яких залишається незмінним для ряду проектних процедур, наприклад, розрахунок системи алгебраїчних рівнянь, складання таблиць і графіків за результатами обчислень, підготовка початкової інформації, редагування документів.

Процес проектування виконують відповідно до певного плану, який зазвичай можна подати у вигляді логічної схеми (логічного графа) побудови проекту. Така схема показує послідовність виконання основних проектних процедур та операцій.

За направленістю процесу розрізняють два види проектування: низхідне і висхідне.

Якщо проектування йде від вищих до нижчих рівнів ієрархії (від загального до конкретного), тобто ступінь деталізації опису збільшується, то це низхідне або спадне проектування.

При висхідному проектуванні створення опису технологічного процесу йде від нижчих рівнів до вищих (від конкретного до загального). При такому проектуванні під час переходу до кожного наступного (вищого) рівня відбувається створення (синтез) нового рішення на базі рішень, створених раніше.

Кожен з цих двох видів має переваги та недоліки. На практиці поєднують обидва види. Наприклад, висхідне проектування доцільне тоді, коли використовуються уніфіковані елементи; низхідне - коли вироби уніфіковані й вигідно користуватися типовими технологічними процесами.

Під час проектування виконують дії, які направлені на створення структури або параметрів технологічного процесу, а також їх аналіз або дослідження. Якщо задачею проектної процедури є створення (генерація) опису структури чи параметрів технологічного процесу, то таку процедуру називають відповідно процедурою структурного або параметричного синтезу.

Якщо під час виконання проектної процедури вивчають властивості проектного рішення на предмет його відповідності технічному завданню, то така процедура є процедурою аналізу.

2.5 Типові проектні процедури [2]

Проектну процедуру називають типовою, якщо вона служить для багаторазового використання під час проектування багатьох об'єктів. Такими є, наприклад, процедури синтезу структури чи параметрів оптимізації, вводу початкових даних, документування описів об’єктів проектування. Розглянемо типову послідовність проектних процедур на одному з етапів низхідного проектування (рисунок 2.1) з метою виявлення їх взаємозв'язку та призначення. Сама суть процедур розглядатиметься далі.

Одним з результатів розв'язку проектної задачі на k-1-му ієрархічному рівні є формулювання технічного завдання (ТЗ) на проектування системи на k-му рівні (блок 1).

Розв'язок проектної задачі на k-му рівні охоплює такі типові проектні процедури:

- синтез початкового варіанта структури технологічного процесу на цьому рівні (блок 2);

- створення або вибір математичної моделі для оцінки відповідності створеного варіанта технологічного процесу сформульованому ТЗ (блок 3);

- вибір (синтез) початкових параметрів технологічного процесу (блок 4);


 

 


Рисунок 2.1 – Блок-схема типової послідовності проектних процедур k-го рівня при низхідному проектуванні


- оцінка (аналіз) синтезованого початкового варіанта технологічного процесу, тобто сукупності його структури і параметрів (блок 5) і перевірка виконання сформульованих в ТЗ умов придатності процесу;

- вибір подальшого напрямку продовження процесу.

При невідповідності результатів синтезу та ТЗ можливі три шляхи продовження процедури:

а) шлях через блоки 7 - 8 - 5 - 6 з модифікацією (поліпшенням) параметрів (цю послідовність називають процедурою параметричної оптимізації);

б) шлях 7 - 9 - 3 - 4 - 5 - 6 з модифікацією структури ТП - це процедура структурної оптимізації.

Якщо жоден з цих шляхів не приводить до отримання прийнятного ступеня відповідності ТЗ, то залучають шлях 7 - 10 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6, тобто процедуру корекції ТЗ з поверненням на попередній (k-1-й) ієрархічний рівень. Усі ці три шляхи - суть ітераційності процесу проектування. Якщо ТЗ задовільняється, то в блоці 6 приймається проектне рішення:

- фіксація опису проектного рішення в потрібній формі (блок 11);

- формулювання ТЗ на проектування елементів даного рівня, або інакше системи k+1-го рівня.

Опис послідовності проектних процедур вказує також на такі три особливості процесу проектування: ітераційність, вкладеність процедур і трудомісткість.

Ітераційність, або інакше багатократність проходження потрібних етапів і процедур з послідовним наближенням до прийнятного результату, зумовлена тим, що виробити раціональне проектне рішення за однократне виконання потрібної послідовності процедур вдається далеко не завжди. Причиною цього є багатоваріантність основних проектних рішень і брак вичерпної початкової інформації. Для цього можуть бути цілком об'єктивні причини - початкова інформація даного рівня (стану) може залежати від рішень, які за планом проектування мають прийматися на наступних рівнях проектування. Тому прийняття проектного рішення на даному етапі грунтується на припущеннях, рішення потенційно не є оптимальним, потрібно повторно виконати проектні процедури з уточненими початковими даними.

Вкладеність типових процедур покажемо на прикладі: процедура аналізу є складового частиною процедури параметричного синтезу, яка, в свою чергу, - складовою процедури параметричного синтезу. Однократне виконання процедури оптимізації потребує багаторазового виконання процедури аналізу, а одноразове рішення задачі синтезу - багаторазового розв'язку задачі оптимізації.

Із зазначеного випливає, що технологічне проектування навіть в його автоматизованому варіанті може бути дуже трудомістким. Щоб скоротити затрати обчислювальних ресурсів на виконання проектних процедур для більшості варіантів структури, які приймаються до розгляду, користуються орієнтовними оцінками на основі непрямих критеріїв, спрощених моделей і алгоритмів. Це дає змогу при відносно малих затратах обчислювальних ресурсів відсіяти більшість неперспективних варіантів, а для докладного аналізу залишити невелике число варіантів. Точними та складними математичними моделями, критеріями й алгоритмами аналізу користуються лише на завершальних ітераціях аналізу. У цьому полягає суть іще однієї особливості постановки і вирішення задач технологічного проектування.

Запитання для самоконтролю

Предыдущая статья:Урок 8. Улучшение походки Следующая статья:Методи автоматизованого технологічного проектуваннЯ
page speed (0.0172 sec, direct)