Вторая часть является продолжением первой части и посвящена изложению основных принципов построения и структуры САПР ТП, базирующихся на использовании различных методологий технологического проектирования. Рассмотрено построение САПР ТП на базе использования процессов-аналогов, а также автоматизации синтеза единичных ТП. Нумерация разделов продолжает нумерацию первой части.
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И СТРУКТУРА САПР ТП
Технологический процесс как объект проектирования
В основу разработки ТП изготовления изделий машиностроения положены два принципа — технический и экономический. В соответствии с первым из них спроектированный процесс должен полностью обеспечить выполнение всех требований конструкторской документации и технических условий приемки изделия. Согласно второму принципу изготовление изделия должно быть осуществлено с учетом минимальных затрат труда и издержек производства.
Проектирование ТП — многовариантная задача. Для изготовления одной и той же детали или сборочной единицы могут быть спроектированы различные ТП, отличающиеся технико-экономическими показателями и, прежде всего, затратами на изготовление и производительностью, а также надежностью обеспечения заданного качества изделия.
Технический и экономический принципы проектирования ТП, отражая различные стороны изготовления машины, находятся в диалектическом противоречии. Разрешение данного противоречия достигается за счет компромисса и оптимизации ТП. Технический принцип должен соблюдаться всегда. Наиболее часто достигают компромисс между производительностью и затратами. При равной производительности сопоставляемых ТП выбирают процесс, обеспечивающий минимум затрат. При равных затратах обычно выбирают более производительный ТП. При разных затратах и производительностях выбирают ТП, обеспечивающий минимум затрат, при условии, что производительность всех сравниваемых вариантов не ниже заданной. При выпуске особо важной продукции или в экстремальных условиях на определенный период времени предпочтение отдают более производительному ТП. Для изделий высокой ответственности, например, газотурбинных авиадвигателей, независимо от типа производства предпочтение отдают ТП, более надежно обеспечивающим заданное качество изготовления.
Если выбор ТП по результатам сравнения отдельных показателей невозможен, используют комплексные критерии (Кк), например:
где Q — полезный эффект от реализации спроектированного ТП; 3 — затраты на проектирование и реализацию ТП.
В качестве функции полезного эффекта для ТП можно использовать производительность, надежность обеспечения доминирующих показателей качества и т.д. Предпочтительным считают процесс, обеспечивающий Кк ® max.
Изготовление любого изделия машиностроения объединяет процессы, соответствующие основным технологическим переделам (заготовительному, изготовления деталей, сборочному). Главное внимание уделяют проектированию ТП изготовления деталей и сборки.
Любой из указанных ТП представляет собой сложную, иерархически организованную, целенаправленную систему. Элементный состав и структура этой системы зависят от уровня ее рассмотрения.
Маршрутный ТП изготовления детали может быть представлен, например, последовательностью этапов, на каждом из которых решают соответствующие технологические задачи (табл. 5.1).
Каждый этап ТП состоит из отдельных технологических операций, выполняемых в определенной (заданной) последовательности.
Таблица 5.1. Характеристика и задачи этапов технологического процесса
Наименование этапа
Точность размеров
Технологические задачи
Заготовительный
IT>14
Обеспечение качества исходной заготовки
Черновой
12 IT 14
1. Обработка базовых поверхностей.
2. Предварительное
формообразование основных поверхностей
Получистовой
9 IT 11
Формообразование основных и второстепенных поверхностей
Чистовой
7 IT 9
1. Обеспечение точности размеров, формы и взаимного расположения поверхностей.
2. Формирование поверхностного слоя детали
Отделочный
IT 7
Достижение заданных показателей качества детали (в комплексе)
Примечание. Заготовительный этап часто выполняется по самостоятельному ТП в зависимости от вида и способа изготовления заготовки. В ТП изготовления детали заготовительный этап обычно включают в сокращенной форме.
Технологической операциейназывают законченную часть ТП, выполняемую непрерывно на одном рабочем месте (участке производственной площади, оборудованном в соответствии с выполняемой на нем работой).
Число операций в ТП изготовления деталей может изменяться от одной - двух (изготовление детали на прутковом автомате, изготовление корпусной детали на многооперационном станке) до десятков или даже сотен (изготовление турбинных лопаток, сложных корпусных деталей и т.д.). Кроме технологических, различают вспомогательные операции: транспортирование, контроль, маркирование и др.
Значения многих показателей качества деталей (отклонения размеров, формы, взаимного расположения поверхностей, параметров шероховатости и волнистости поверхностей и др.) в ходе ТП «ступенчато» уменьшаются до значений, соответствующих заданным допускам. Изменение указанных величин в ходе ТП можно условно считать монотонным, если последний не включает операций термической (химико-термической) обработки. Если же ТП включает такие операции, то после их выполнения обычно происходит скачкообразное увеличение значений указанных показателей качества, иногда до уровня, соответствующего исходной заготовке. При этом значения характеристик свойств материала могут также скачкообразно измениться (увеличиться или уменьшиться) в зависимости от назначения и содержания выполненной операции термической (химико-термической) обработки.
Операция термической (химико-термической) обработки разделяет процесс изготовления детали на этапы «до ее выполнения» и «после ее выполнения». Каждый из этих этапов может рассматриваться как самостоятельный ТП, в котором изменения значений показателей качества происходят монотонно. ТП может включать несколько операций различной термической (химико-термической) обработки, но все сказанное выше справедливо и в этом случае.
Определение содержания и места термической (химико-термической) обработки в сквозном процессе изготовления детали с оценкой возможного влияния этих операций на выполнение указанного процесса является одной из наиболее сложных задач, решаемых при разработке ТП и, прежде всего — маршрутных ТП.
Маршрутным ТПназывают последовательность технологических операций, результатом выполнения которых является достижение фиксированного (заданного) состояния предмета производства (детали, сборочной единицы). Список операций, входящих в маршрутный ТП, определяет его состав. Порядок выполнения операций определяет структуру ТП.
Технологическая операция— основной элемент ТП, имеющий собственную структуру.
Технологический переход— законченная часть технологической операции, выполняемой одними и теми же средствами технологического оснащения при неизменных технологических режимах. Технологический переход характеризуют постоянством:
• применяемого инструмента;
• поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке;
• технологического режима.
Различают технологические переходы:
• простые или элементарные — в работе одновременно находится не более одного инструмента;
• сложные или инструментальные — при одном движении исполнительного рабочего органа оборудования в работе одновременно участвуют несколько инструментов, или при непрерывном движении одного инструмента обрабатывают несколько поверхностей (контурная обработка на станке с ЧПУ).
Технологические переходы выполняют последовательно или параллельно-последовательно (с совмещением во времени). Операция может состоять как из одного, так и нескольких технологических переходов (простых или сложных).
Список технологических переходов определяет состав (содержание) технологической операции. Порядок выполнения переходов определяет структуру операции.
В основу построения технологической операции могут быть положены принципы концентрации или дифференциации технологических переходов.
При концентрации переходов операция включает максимально возможное при заданных условиях число технологических переходов. Это сокращает число технологических операций в ТП. В предельном случае ТП состоит лишь из одной технологической операции,включающей все переходы, необходимые для изготовления детали. Принцип концентрации характерен для построения операций в единичном и среднесерийном автоматизированном производстве.
При дифференциации переходов, входящих в технологическую операцию, стремятся к сокращению их числа. Пределом дифференциации является такое построение ТП, когда в состав каждой операции входит лишь один технологический переход. Принцип дифференциации характерен для крупносерийного — массового производства, когда необходимо обеспечение высокой производительности труда и синхронизации выполняемых операций по такту выпуска.
Вспомогательный переход— законченная часть технологической операции, состоящая из действий человека и (или) оборудования, которые не сопровождаются изменением состояния предметов производства, но необходимы для выполнения технологической операции: закрепления заготовки, смены инструмента и т.д. Технологическую операцию следует рассматривать как совокупность технологических и вспомогательных переходов.
Рабочий ход — законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменениями формы, размеров, качества поверхности или свойств заготовки. Рабочий ход является отдельной (единичной) реализацией соответствующего технологического перехода, при которой снимают (или добавляют) один слой материала.
Установ— часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемой заготовки или сборочной единицы.
Позиция— фиксированное положение, занимаемое неизменно закрепленной обрабатываемой заготовкой или собираемой сборочной единицей совместно с приспособлением относительно инструмента или неподвижных частей оборудования.
Прием— законченная совокупность действий при выполнении перехода или его части, объединенных одним целевым назначением. Так, при выполнении вспомогательного перехода установки заготовки в приспособление последовательно выполняют приемы: взять заготовку из тары, установить в приспособление и закрепить в нем.
При разработке ТП является объектом соответствующего проектного технологического решения, предназначенного для последующей реализации в производстве. Формирование такого решения применительно к ТП имеет следующие особенности [2]:
• процесс проектирования может быть разделен на стадии и уровни. Получение общего решения, связанного с разработкой единичного ТП, является результатом выполнения отдельных проектных задач и процедур (принцип декомпозиции). Любой ТП может быть разделен на этапы (см. табл. 5.1). Каждый этап состоит из отдельных операций. Каждая операция включает технологические и вспомогательные переходы. Принимая решения на каждом уровне проектирования, последовательно детализируют его;
• связь между уровнями проектирования носит иерархический характер. Высшим уровнем является, например, уровень установления стадий изготовления детали, низшим — уровень разработки содержания и последовательности выполнения рабочих и вспомогательных ходов. Принятие проектного решения ведут последовательно по соподчиненным уровням;
• существует приоритет решений, принятых на высших уровнях проектирования, по отношению к низшим. Решения, принятые на высших уровнях, обязательны для низших. Так, например, если на этапе разработки маршрутного ТП изготовления детали была выбрана схема установки заготовки при обработке, то на уровне определения содержания операции эта схема является основой для выбора варианта станочного приспособления;
• при невозможности на более низшем уровне проектирования исполнить решение, принятое на более высоком уровне, последний информирует о необходимости корректировки решения (принцип обратной связи). Например, разработка содержания и последовательности выполнения переходов операции обработки на станке с ЧПУ может привести к превышению необходимого количества режущего инструмента над возможностями револьверной головки. Возникает необходимость переноса части переходов в другие операции. Поэтому необходимо вернуться на более высокий (ранний) уровень проектирования и провести перекомпоновку операций;
• процесс проектирования носит итерационный характер. Этот принцип предполагает обязательно полное (пусть вариантное) решение задач каждого уровня, после чего возможен переход к следующему;
• действует принцип не окончательности решений. Он позволяет проектировщику получать не одно, а несколько решений, близких оптимальному. Это особенно важно для верхних уровней проектирования, где трудно использовать формальные критерии выбора рационального варианта;
• при проектировании ТП изготовления изделий некоторые решения могут быть использованы повторно для аналогичных проектных ситуаций (принцип преемственности решений).
В практике ТПП изделий машиностроения обобщенные алгоритмы неавтоматизированного проектирования единичных ТП изготовления деталей и сборки представлены на рис. 8, где показаны последовательности действий проектировщиков при разработке указанных ТП в рамках выполнения соответствующей функции ТПП (см. рис. 3, часть 1) и сохранении всех информационных связей и взаимодействий. Цель, задачи и технологическое содержание каждого из этапов подробно рассмотрены в учебно-научной литературе и при изучении курса технологии машиностроения. Остановимся лишь на основных аспектах неавтоматизированного проектирования единичных ТП.
Особенностью представленных на рис. 8 последовательностей действий является строгая обусловленность их этапов: нельзя менять этапы местами. Например, нельзя разрабатывать маршруты обработки основных поверхностей (см. этап 6 рис. 8, а), если неизвестны технологические параметры исходной заготовки (см. этап 5). В принципе, допустимо не выполнять некоторые этапы. Например, если исходная заготовка задана директивно — в частности, будет получена от изготовителя, то ее конструктивно-технологические параметры известны и необходимость в выполнении соответствующего этапа проектирования отпадает. Однако нарушение порядка действий неизбежно ведет к грубым ошибкам.
При выполнении отдельных этапов проектирования единичных ТП изготовления детали необходимо придерживаться некоторых специальных принципов. Например, при выборе технологических баз (см. этап 7) следует соблюдать принцип совмещения установочных и измерительных баз, а также принцип постоянства баз.
Разработка маршрутного ТП (см. этап 8) и операционной технологии (см. этап 9) безусловно, являются самостоятельными и сложными этапами проектирования, каждый из которых обладает собственной внутренней иерархией, а итоговые результаты их решения оформляют самостоятельными документами.
Для ТП сборки характерна маршрутно-операционная форма разработки и представления результатов проектирования. Это объясняется значительно более сложными, чем при изготовлении детали, закономерностями построения ТП сборки, трудностями строгого расчленения сборочного процесса на отдельные операции, а также высочайшей многовариантностью технологических решений, лежащих в основе построения ТП сборки.
Сильное и не всегда позитивное влияние на проектирование ТП изготовления деталей и сборки оказывает действие принципов адаптации и не окончательности решений.
Проектировщик на любом этапе проектирования должен быть готов к отказу от решений, принятых на предшествующих этапах, и к возврату на несколько этапов «назад», а иногда и к самому началу проектирования. На некоторых этапах проектирования принцип не окончательности действует особенно сильно. Например, при разработке операционной технологии изготовления деталей (см. этап 9, рис. 8, а) неудовлетворительные результаты выбора режимов обработки и технического нормирования операций, в особенности для среднесерийного и массового типов производства, могут привести к полному отказу от намеченной структуры операции, заранее определенного оборудования и даже изменению структуры маршрутного ТП.
Наиболее рациональной стратегией технологического проектирования следует считать ту, при которой одновременно разрабатывают несколько альтернативных и конкурирующих вариантов отдельных операций, или даже процессов в целом. Последнее не всегда делают при неавтоматизированном проектировании единичных ТП, предпочитая строить структуру последних из оптимизированных вариантов технологических операций, что, впрочем, не является вполне оправданным и может даже привести к ошибочным результатам.
Оптимизацию ТП можно выполнять на уровне операций, когда выбирают оптимальные структуры и параметры операций (например, режимы резания), и на уровне ТП, когда определяют содержание его основных этапов, их порядок и взаимосвязь (структуру ТП). В последнем случае оптимизация носит характер структурной оптимизации. Доказано, что структурная оптимизация эффективнее параметрической и позволяет получать более оптимальные решения. Например, эффективность операции обработки заготовок на автоматизированном оборудовании во многом зависит от оптимальности состава и последовательности переходов и в меньшей степени — от оптимизации режимов резания. Структурную оптимизацию осуществлять сложнее, чем параметрическую.
При решении задач оптимизации в качестве целевых функций можно использовать заданное качество изделия, заданную производительность процесса, минимальные затраты на изготовление изделия.
Минимальные затраты на выполнение перехода, операции, ТП являются, как правило, основным экономическим критерием, который часто называют стоимостной целевой функцией. Минимизация затрат позволяет установить целесообразность отвлечения капитальных средств от других вариантов ТП и использования их для осуществления данного ТП.
Следует особо подчеркнуть важность экономических критериев выбора перехода, операции, ТП. Любой этап проектирования — выбор заготовки, определение маршрута обработки и т.д. — должен сопровождаться соответствующим экономическим обоснованием. Экономический критерий является основой структурной и параметрической оптимизации ТП. Его умелое использование значительно повышает эффективность проектных решений.
Решение большинства задач неавтоматизированного технологического проектирования базируется на использовании профессиональных знаний и опыта проектировщика. Это в значительной мере объясняется тем, что подавляющее большинство задач проектирования являются трудно- или неформализуемыми в их современных постановках. Вместе с тем практически любое современное средство автоматизации проектных работ по своей сути представляет интеллектуальный автомат, действие которого базируется на использовании в большей или меньшей степени формальных проектных процедур.
Под проектной процедурой понимают составную часть процесса автоматизированного проектирования, направленную на получение проектного решения, являющегося конечным описанием (частью конечного описания) объекта проектирования. Под объектом проектирования здесь понимают ТП в целом, или его отдельный, законченный фрагмент. Для решения проблемы автоматизации технологического проектирования исключительно важен принцип формализации, как отдельных проектных операций, так и процедур в целом.
Создание формальных проектных процедур и их комплексов на базе корректного использования основных технологических принципов и правил определяет сущность и сложность проблемы автоматизации технологического проектирования. Без ее решения невозможно обеспечить конкурентоспособность изделий машиностроения и прогресс в этой важнейшей отрасли.
IT 