Задачи автоматизированного проектирования применительно к подготовке исходной информации

Исходная информация для проектирования ТП содержит данные о объекте изготовления (детали), директивную программу выпуска и специальные требования, связанные с изготовлением объекта в производственных условиях (см. рис.1.2).

Рис.1.2. Исходная информация САПР ТП

Технические требования и Директивная информация представлены в виде табличных файлов (db, dbf и др.), которые удобно обрабатываются при проектировании ТП. Конструкторская информация отражена в виде форматов (dxf, iges, step и др.) и в явном виде не содержит многочисленные свойства поверхностей деталей, которые необходимы для проектирования ТП. Поэтому требуется этап преобразования конструкторской информации в вид, удобный для дальнейшей обработки при проектировании ТП. Чаще всего исходная информация должна быть представлена в виде таблиц, которые содержат в явном виде свойства поверхностей, необходимые для проектирования ТП. Табличную форму представления исходной информации будем называть технологической моделью детали, а исходную конструкторскую информацию конструкторской моделью детали. Этапы преобразования конструкторской модели в технологическую в САПР ТП показаны на схеме (см. рис.1.3.). Процесс подготовки исходной информации зависит от используемых форм представления конструкторских моделей (колонка 1 схемы 1.3), методов проектирования ТП (колонка 4 схемы 1.3), используемых технических средств, математического и программного обеспечения (колонка 2 схемы 1.3) преобразования моделей и состава технологических моделей (колонка 3 схемы 1.3). Рассмотрим элементы схемы 1.3.

Существующие конструкторские модели М_констр = <М, R > отличаются особенностью как исходным множеством М, так и отношениями R.

Каждая машиностроительная деталь или сборочная единица допускает большое многообразие геометрических моделей, и существующие в настоящее время модели можно разбить на четыре группы:

- модели в виде традиционных чертежей;

- модели, составляющие основу графических систем (класса Автокад, Tflex и др), которые используются при подготовке прежде всего, конструкторской документации;

- трехмерные модели (3D), используемые в интегрированных системах CAD-CAM-CAE и прежде всего, в автоматизированных системах технологической подготовки производства (системы ProЕngineer, Catio и др.);

- универсальные математические модели

Элементами М моделей первой группы являются точки на плоскости (пиксели) на плоскости. В качестве отношений R используются характеристики, определяющие их цвет: для черно- белых чертежей значение 1 для черной точки и 0 – для белой точки; для цветных чертежей значение цвета меняется от 0 до 128 или 256. Эти модели называются растровыми. Графические форматы чертежей, полученных на системе Автокад имеют расширение dwg, а в системе TflexCad - grb,

Элементами М моделей второй группы являются графические элементы (примитивы); к ним относятся отрезки прямых, окружности и дуги окружностей, одномерные сплайны на плоскости и др. Отношениями R на исходном множестве М являются характристики примитивов, которые определяются положение примитива на плоскости (например, для отрезка примой на плоскости - координаты начальной и конечной точки отрезка), тип примитива (сплошная или штрих-пунктирная для отрезка), ее цвет и др. Эти модели называются векторными. Графические форматы чертежей, полученных на системе Автокад и в системе TflexCad, имеют расширение dxf, iges, step и др. Преобразование растровых моделей в векторные выполняется в

Рис. 1.3. Преобразование информации от конструктора к технологу

графических системах с помощью операции экспорт. Преобразование моделей из одной графической системы в другую (например, из системы Автокад в Tflexcad и обратно выполняется с использованием векторных форматов.

Mодели третьей группы имеют двухуровневую структуру:

- на нижнем уровне множество исходных элементов М₁ образуются с помощью одномерных объектов в трехмерном пространстве (например, отрезков прямых в трехмерном пространстве); множество отношений R₁ определяется оперциями на множестве М₁ (например, вращение и выталкивание в заданном направлении);

- на верхнем уровне множеством исходных элементов М₂ являются простейшие трехмерные элементы (параллелепипеды, усеченные конуса, цилиндры, шар, тор и др.), которые образуются с помощью моделей нижнего уровня; множество отношений R₂ определяется логическими операциями на множестве М₂ (сложение V, умножение T, отрицание - );

Эти модели позволяют создавать машиностроительные детали.

Представителями моделей четвертой группы являются модели логико алгебраического типа M_ун = <M_ун,R_ун>, где множество исходных элементов M_ун определяется полуплоскостями в трехмерном пространстве Е⁽³⁾ , а множество отношений R_ун - свойствами плоскостей и операциями математической логики на множестве M_ун (сложение V, умножение Tотрицание - ). Свойство универсальности этих моделей заключается в том, они позволяют установить свойство принадлежности каждой точки х рассматриваемой детали D с помощью предиката принадлежности:

1, x Є D;

P (x, D) =

0 в противном случае.

С помощью предиката P (x, D) модели четвертой группы выполняют операции проектирования детали D на произвольно ориентированную плоскость в трехмерном пространстве Е⁽³⁾ с удалением невидимых линий, то есть оформлять чертежи детали, но и устанавливать свойства поверхностей, ограничивающих деталь D, которые необхлдимы для проектирования ТП (например, устанавливать свойства базирования, возможность обработки поверхностей с заданного направления и ее базирования в приспособлении). Последние свойства поверхностей невозможно установить с помомощью ранее рассмотренных моделей.

Рассмотрим технологические модели (колонка 3 блок схемы).

К технологическим моделям относятся три таблицы Т₁ – Т₃ , которые содержат конструкторские свойства детали и таблица Т₄ , которая содержит технологические свойства детали и поверхностей.

Таблица Т₁ содержит общие характеристики детали, которые позволяют определить ее класс по конструктивно- технологическим признакам. Этот класс используется при проектировании ТП по методам унификации. К этим характеристикам относятся: заводской шифр и наименование детали, марка конструкционного материала, габариты, сложность, количество обрабатываемых поверхностей, масштаб выпуска. Заводской шифр содержит класс детали по машиностроительному классификатору, сложность детали является интегрированным показателем и определяется максимальной точностью и качеством обработки поверхностей, сложностью геометрической формы поверхностей и их относительным расположением.

Таблица Т₂ содержит характеристики обрабатываемых и необрабатываемых повехностей, которые указаны в чертеже детали: наименование и тип поверхности по классификатору, номер поверхности, размеры, точность, шероховатость, твердость, ориентация поверхности и др.

Таблица Т₃ содержит харатеристики точности относительного положения поверхностей, которые указаны в чертеже детали: номера поверхностей, которые связаны точностью относительного положения, наименование погрешности по классификатору, значение номинального размера, верхнее отклонение отноминального размера, нижнее отклонение.

Таблица Т₄ содержит технологические свойства поверхностей и детали: тип технологической базы для рассматриваемой поверхности, ее ориентация, позволяющие установить возможность лишения заготовкистепеней свободы в заданных направлениях при установке ее в приспособлении, возможные комплекты технологических баз, которые используются при обработке детали в рассматриваемой технологической системе. Указанная информация позволяет определить последовательность обработки поверхностей в автоматическом режиме.

Рассмотрим существующие методы преобразования конструкторских моделей в технологические в САПР ТП (колонка 2 блок схемы).

Ручной ввод информации (блок 2.1) основан на механизме «чтения» чертежа, установлении свойств поверхностей и заполнении технологических таблиц. Техничесик есредства заолнения таблиц разнообразны в САПР различных поколений в периоды от 60-х годов и до настоящее время: устройства подготовки данных на перфокартах, перфолентах, магнитных лентах в ранних САПР ТП и непосредственно на ПК с использованием текстовых редакторов (например, Word, Excel и др.), систем управления базами данных (СУБД): (Paradox, Dbase, Access Oracle и др.) и специализированных редакторов (Редактор БД в СИТЕП 4).

Сканирование чертежей на бумажных носителях (блок 2.2) подготавливает информацию с чертежа в электронный вид, представленный в виде набора пикселей с различным разрешением ( например, 100-200 dpi для массовых сканеров, где dpi – число видимых точек на дюйм изображения). Качество сканирования определяется также наличием помех после сканирования. Поэтому требуется использовать фильтрацию помех, в частности средства обработки данных (метод нименьших квадратов). Для оптического распознавания текстовой информации используется программное обеспечение (OCR — Optical Character Recognition)

Векторизация (блок 2.3)— это ручное или автоматическое преобразование растрового изображения в его векторное представление. Благодаря такому преобразованию исходное изображение получает все преимущества векторной графики — малые размеры файла, возможность масштабирования и редактирования без потери качества. Векторное представление более удобно по сравнению с растровым для выявления характеристик графических примитивов ввиду того, что каждый примитив в векторном представлении представлен небольшим количеством параметров. Например, отрезок прямой на плоскости представлен лишь координатами крайних точек, окружность на плоскости представлена координатами центра окружности и радиусом (см. рис.1.4).

а) б)

Рис.1.4

Параметрами отрезка АВ являются координаты точек А = (20,40) и

В = (80,70), окружности координаты центра С = (50,40) радиуса r = 30. Четыре параметра представляют отрезок АВ и три параметра – окружность. В растровом представлении отрезка АВ необходимо 600 пикселей, а окружности 1200 пикселей.

Если растровый формат модели получен в графической системе, то преобразование его в векторный формат выполняется с помощью операции экспорт. Если растровый формат модели получен с помощью сканера, то векторный формат получается с помощью векторизаторов.

MapEDIT 5.0 представляет собой автоматизированный векторизатор графических данных, предназначенный для создания цифровых векторных карт по их растровым изображениям.
Векторизатор MapEDIT обеспечивает:
— Выполнение автоматизированной/ручной векторизации (цифровки) по монохромным и цветным растрам с разделением объектов карты по слоям.
— Занесение атрибутивных данных объекта в базу данных одновременно с векторизацией.
— Поддержку географических проекций.
— Исправление искажений бумажных оригиналов.
— Контроль корректности топологических отношений введенных объектов (построение топологии).
— Экспорт полученных цифровых векторных карт и баз данных в форматы ГИС и САПР.
— Сводку/сшивку цифровых векторных карт.

Векторные форматы 2D позволяют выполнять расчеты геометрических характеристик деталей.

Диалоговые средства распознавания свойств поверхностей и детали (блок 2.4) установить требуемые свойства поверхностей и детали двумя способами:

- путем сопоставления графического примитива некоторой поверхности и заполнения характеристик в процессе диалога;

- путем создания конструкторских переменных и автоматической передачи их в технологическую среду.

Сущность первого способа заключается в том, что с помощью специальных функций OLE и API расширяются возможности диалога, который позволяет идентифицировать графический примитив с помощью указателя мыши, где пользователь связывает этот примитив с поверхностью, раскрывается таблица, в которой заполняются свойства поверхности (см. рис. 1.5).

Рис.1.5

Сущность второго способа заключается в том, что конструкторские переменные, которые хранятся в файле с расширением par, в результате программной обработки передаются в информационную базу технолога. На рис.1.7 показан фрагмент передачи марки конструкционного материала параметризованной втулки в информационную базу СИТЕП.

Рис.1.6

Рис.1.7

Рис.1.8

При проектировании ТП на основе типизации для детали представителя класса однородных деталей разрабатывается параметризованная конструкция детали и для единичной детали выполняется настройка переменных [3]. Другими словами, сущность подготовки исходной информации сводится к настройке переменных параметризованной детали рассматриваемого класса, что существенно снижает трудоемкость подготовки исходной информации.

Электронные средства распознавания свойств относятся к универсальным методам идентификации поверхностей, так как позволяют в автоматическом режиме преобразовать множество элементов чертежа в подмножества, каждый из которых объявляется поверхностью, обладающей геометрическими свойствами (см. рис.1). Эти методы в настоящее время находятся в стадии разработки.

Рис. 1.9. Перечень графических элементов чертежа и поверхностей двухступенчатого вала.

Задача идентификации поверхностей детали на основе обработки dxf файла 2D моделей сводится к классификации объектов, то есть разбиению множества графических элементов чертежа на непересекающиеся подмножества, обладающие заданными свойствами, на примере двухступенчатого вала показан в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Перечень свойств поверхностей

Рассмотрим свойства классов I-V

Класс I. Отрезок 1 перпендикулярен отрезку 9; крайние точки отрезка 1 расположены симметрично относительно отрезка 9 на расстоянии D1/2; Центр окружности 7 принадлежит отрезку 9 и радиус окружности 7 равен D1/2;

Класс II. Отрезки прямых 2 и 11 параллельны и расположены симметрично относительно отрезка 9 на расстоянии D1/2. Центр окружности 7 принадлежит отрезку 9 и радиус окружности 7 равен D1/2;

Класс III Отрезок 3 перпендикулярен отрезку 9; крайние точки отрезка 3 расположены симметрично относительно отрезка 9 на расстоянии D1/2; Центр окружности 6 принадлежит отрезку 9 и радиус окружности 6 равен D1/2;

Класс IV Отрезки прямых 4 и 10 параллельны и расположены симметрично отрезку 9 на расстоянии D2/2 Центр окружности 6 принадлежит отрезку 9 и радиус окружности 6 равен D2/2;

Класс V Отрезок 5 перпендикулярен отрезку 9; крайние точки отрезка 5 расположены симметрично относительно отрезка 9 на расстоянии D2/2; Центр окружности 9 принадлежит отрезку 9 и радиус окружности 9 равен D2/2;

Аналогично устанавливаются другие свойства поверхностей с использованием формул аналитической геометрии, например, свойство «наружная», «внутренняя», цилиндрическая «осевая», либо «смещенная» и др. Прямая обработка свойств чертежных элементов позволяет идентифицировать свойства поверхностей для деталей класса «тела вращения».

Характеристика методов проектирования ТП: с использованием деталей аналогов, типизации, принципов группирования, синтеза структуры и Технологического Редактора

1. Проектирование ТП МО с использованием деталей-аналогов

При проектировании ТП с использованием деталей-аналогов в информационной базе ранее изготовленных деталей выполняется поиск детали по конструктивно технологическим признакам. В качестве признаков используются характеристики детали таблицы Т₁ . Для найденной детали аналога на экране отображается технологический процесс ее изготовлении, который далее подлежит редактированию с учетом отличий рассматриваемой детали от детали аналога..

2. Проектирование ТП МО с использованием типовых ТП

При использовании этого метода предварительно разрабатывается классификация на основе конструкторско-технологических признаков с использованием СТП или общесоюзных классификаторов (например: «Общесоюзный классификатор. Промышленная и сельскохозяйственная продукция. Высшие классификационные группировки. М.,1977» и «Технологический классификатор деталей машиностроения и приборостроения. Части 1,2.М., 1974,1975»). Для каждого класса разрабатывается конструкция детали представителя и типовой технологический процесс ее изготовления в условиях рассматриваемого производства

3. Проектирование ТП МО с использованием групповых ТП

В основе групповой технологии лежит групповая операция, которая является общей для группы деталей, обрабатываемых на данном оборудовании с определенной групповой оснасткой. Представителем деталей данной группы является комплексная деталь, которая содержит в своей конструкции все основные элементы, характерные для деталей рассматриваемой группы. Примером групповых операций является токарно винторезная группа, вертикально сверлильная и др. Из групповых оперций формируется групповой технологический процесс, обеспечивающий обработку деталей группы по общему технологическому маршруту. При проектировании ТП единичной детали устанавливается набор групповых операции технологического маршрута позволяющий обработать эту деталь

4. Проектирование ТП МО с использованием синтеза структуры

Структурой ТП называется множество технологических переходов, получаемых из планов обработки каждой обрабатываемой поверхности, последовательности их выполнения и группирования их в технологические операции. Планы обработки поверхностей определяются в рассматриваемой производственной системе исходя из наилучшего использования оборудования и технологической оснастки. Последовательность выполнения переходов и операций определяется на основе выбора единых технологическиз и баз на первых операциях.

5. Проектирование ТП МО с использованием Технологического Редактора выполняетсяна основе диалога пользователя технолога с системой путем ввода технологической информации о операциях и переходах в определенной последовательности, а также параметров ТП с использованием словарей и справочников. С помощью Технологического Редактора на основе ТП выполняется распечатка технологической документации, а также подготовка и актуализация информационной базы.

Разработанные ранее и существующие в настоящее время САПР ТП используют различные варианты подготовки исходной информации, укоторые учитывают особенности конструкторских моделей, методов преобразования их в технологические модели и методы проектирования ТП. Кратко рассмотрим эти варианты.

Вариант 1.САПР ТП раннего периода (70-80гг) использовали ручной чертеж для визуализации при подготовке информации и ввода технологической информации в систему (ветвь 1.1 – 2.1 – 3.1- 4.1). Подготовка информации выполнялась в жестких форматах на ПК, ПЛ, МЛ,

Контроль ввода информации выполнялся с использованием генераторов программ ввода – вывода (ГВВ).

Вариант 2.Более поздние САПР ТПпериода (80-90гг), когда графические средства только создавались (Автокад 9, 10) (хотя уже существовали зарубежные системы VAX 11) выполняли процесс сканирования ручного чертежа и ввод его в ПК ( растровая модель). Этот чертеж использовался как средство визуализации в процессе проектирования ТП (ветвь 1.1 – 2.2 – 3.1 – 4.1, 4.2,4.3).

Вариант 4.С развитием векторизаторов ручной чертеж проходил этапы сканирования и векторизации и ввод его в компьютерную среду. Компьютерный чертеж детали выполнял функции не только визуализации, но использовался при построении операционных эскизов. (ветвь 1.1 – 2.2 – 2.3 – 3.1, 3.2,3.3 – 4.1, 4.2,4.3).

Вариант 5. Вводится исходная информация о детали в минимальном объеме с помощью Технологического Редактора, например наименование и шифр, далее открывается Редактор, с помощью которого далее вводится информация о ТП в виде операций и переходов. С помощью словарей вводятся шифры операций, переходов, станков, технологической оснастки и др. Далее выполняется распечатка документации. Чертеж детали является средством визуализации в процессе проектирования ТП.

Вариант 6.Вводится исходная информация в виде таблицы общего описания детали. Характеристики детали являются признаками для поиска детали аналога, с его помощью осуществляется редактирование ТП и его распечатка.

Вариант 7.Вводится информация в виде трех таблиц описания,с их помощью далее возможно использование проектирования на основе типизации и группирования.

Вариант 8.Вводится информация в виде четырех таблиц описания детали, с их помощью возможно использование проектирования на основе синтеза структуры.

Вариант 9.Вводится информация в виде четырех таблиц, которые формируются в автоматическом режиме на основе геометрических форматов графических систем.

Перечислим задачи применительно к подготовке исходной информации х

1. Выбор варианта подготовки исходной информации и метода проектирования ТП, то есть пути на графе схемы 1.2.

2. Разработка пользовательского интерфейса подготовки исходной информации.

3. Повышения автоматизации передачи информации из графической среды в технологическую с использованием конструкторско – технологической параметризации,

4. Повышения автоматизации передачи информации из графической среды в технологическую с использованием математических и программных средств преобразования геометрических форматов dxf в табличные dbf.