Создание систем автоматизированного синтеза единичных ТП на основе конструктивно-технологических параметров предмета производства (в частности — детали) является одной из наиболее актуальных и нерешенных пока проблем автоматизации проектирования. Главной причиной этого является отсутствие общего решения проблемы синтеза структур объектов проектирования инвариантного их классу.
Известен ряд концептуальных подходов к решению проблемы синтеза структур ТП. Однако каждый из них обладает рядом недостатков, в том числе и принципиальных, которые делают невозможным создание эффективно работающих САПР ТП на их основе.
При обеспечении поддержки решений, принимаемых и реализующихся в ПТЦ, наиболее целесообразна автоматизация синтеза маршрутных ТП, в частности, изготовления деталей, одна из современных концепций которой излагается в работе [4] и основные выдержки из которой, приведены ниже.
Рассматриваемая концепция предполагает:
• отказ от копирования действий человека — проектировщика ТП;
• штатный режим работы системы — пакетный, реализующийся по завершении интерактивного ввода исходных данных;
• использование в качестве элементарной структурной единицы, на базе которой формируют маршрутный ТП, технологического метода.
Концептуальная модель автоматизированной системы синтеза маршрутных ТП изображена на рис. 15(2.10).
В системе определяют состав и последовательность технологических операций, но не строят структуру последних.
Входные данные системы включают в себя:
• конструктивно-технологические параметры детали и заготовки, которые могут формироваться в CAD, а затем импортироваться;
• организационно-производственные данные (объем выпуска детали, объем производственной партии, вид (код) заготовки, ее размеры, единицы нормирования, номера цеха, участка и т.д.);
• данные о технологических возможностях и ресурсах производства.
Геометро-технологическое моделирование заготовки и детали (блок 1) выполняют с использованием специализированной графической среды. Деталь представляют упорядоченной совокупностью комплексов поверхностей, объединяемых общностью технологии формообразования. Для каждого комплекса генерируют (блок 2) множество элементарных маршрутов его обработки, элементы которого после селекции становятся информационной основой для выполнения собственно синтеза единичного маршрутного ТП.
Синтез ТП (блок 3) выполняют в пакетном режиме за два последовательных этапа: макетирования и корректировки маршрутного ТП.
Макет маршрутного ТП формируют «от готовой детали к заготовке» объединением переходов различных элементарных маршрутов обработки комплексов (ЭМОК) в макеты операций на базе общности групп используемого оборудования и множеств возможных схем установки (СУ) заготовки. Последовательность макетов операций устанавливают, используя априорное разделение ТП по этапам (см. табл. 5.1).
Макет маршрутного ТП — первичное проектное решение, нуждающееся в корректировке.
Корректировку макета маршрутного ТП выполняют «от заготовки к готовой детали». Поверхности, операций устанавливают, используя априорное разделение ТП по этапам (см. табл. 5.1).
Макет маршрутного ТП — первичное проектное решение, нуждающееся в корректировке.
Корректировку макета маршрутного ТП выполняют «от заготовки к готовой детали». Поверхности, обработка которых описана в макетах операций, связывают технологическими базами, допускающими их обработку. При этом может изменяться последовательность и содержание технологических операций. Учитывают общие технологические принципы построения процессов изготовления деталей.
Сформированное множество маршрутных ТП оценивают (блок 4) прежде всего по технологической непротиворечивости полученных результатов. Варианты ТП, содержащие противоречащие общим технологическим правилам фрагменты, исключают из рассмотрения. При необходимости над множеством вариантов ТП выполняют процедуры оптимизации. Для принятого варианта оформляют технологические документы (блок 5).
Рис.15. Концептуальная модель автоматизированной системы синтеза
маршрутных ТП изготовления деталей
Геометро-технологическую модель предмета производства, используемую при синтезе ТП, формируют из элементов, называемых технологическими комплексами поверхностей.
Технологический комплекс (Т-комплекс) — совокупность поверхностей различных типов, которые могут быть обработаны совместно при непрерывном движении инструмента по заданной траектории или обработаны комплектом последовательно используемых инструментов при реализации ЭМОК. Каждому Т-комплексу ставят в соответствие множество технологических методов, которые в зависимости от условий производства и требований к качеству обработки могут быть использованы отдельно или в совокупности, как переходы ЭМОК, для совместной обработки всех поверхностей, образующих Т-комплекс. Фрагмент каталога Т-комплексов представлен в табл. 5.2.
Элементарные маршруты обработки комплексов — совокупность технологических переходов, последовательное выполнение которых ведет к формообразованию множества поверхностей данного Т-комплекса и обеспечению предъявляемых к ним требований качества. ЭМОК не хранят в готовом виде, а генерируют вновь для каждого конкретного сочетания требований качества, предъявляемых к поверхностям Т-комплекса и условиям их обработки. Для каждого Т-комплекса разработаны графы генерации ЭМОК.
Примечание. Е, МС, С — соответственно единичный, мелкосерийный, серийный типы производства; * — все типы производства.
При генерации ЭМОК используют данные об объеме выпуска, определяющие тип производства, а также наиболее общие правила, дополнительно характеризующие условия применимости конкретного технологического метода. В результате для каждого Т-комплекса формируют множество вариантов ЭМОК, мощность которого зависит от состава исходных технологических методов, а также диапазонов значений показателей качества соответствующих поверхностей.
Для каждого варианта ЭМОК определены:
• идентификатор Т-комплекса, типы и геометро-технологические параметры входящих в него поверхностей;
• порядковый номер ЭМОК, список входящих в него технологических переходов;
• данные по переходам: порядковый номер перехода в ЭМОК; реализующийся в переходе технологический метод; показатели качества заготовки до обработки методом текущего перехода; показатели качества заготовки после обработки методом текущего перехода; приоритетная группа оборудования (ГО) для реализации перехода; группа инструментов; список идентификаторов возможных СУ заготовок.
Для каждого Т-комплекса генерируют несколько вариантов ЭМОК однако, если их число превосходит три, автоматизированный синтез маршрутного ТП становится затруднен технически. Необходимо уменьшение числа вариантов ЭМОК, что достигаю их селекцией (отбором).
Целью селекции является не выбор единственного варианта ЭМОК для каждого комплекса, а сокращение числа этих вариантов до минимума, не оказывающего влияния на объективность и качество результатов последующего синтеза маршрутных ТП.
При селекции ЭМОК последовательно применяют следующие критерии: ожидаемые суммарные затраты на выполнение ЭМОК, однородность ГО и множеств используемых СУ в различных ЭМОК и внутри каждого ЭМОК.
Расчет затрат на выполнение каждого перехода и ЭМОК в целом носит приближенный (оценочный) характер и может выполняться в относительной форме с использованием, например, коэффициента машиночаса.
Синтез маршрутного ТП начинают с предварительного определения содержания и последовательности технологических операций. Предварительно определенное содержание операции называют ее макетом.
Макет операции - информационный объект следующей структуры:
{НОМЕР ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ТИП ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ, {{НОМЕР ПЕРЕХОДА ПОРЯДКОВЫЙ, МЕТОД, {ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА ДООБРАБОТКИ ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ}}}}, ИДЕНТИФИКАТОР ОБОРУДОВАНИЯ, ГРУППА, ТИП ОБОРУДОВАНИЯ, {СХЕМА УСТАНОВКИ}.
Макет не является полностью и окончательно сформированной операцией. Его можно создавать, сохранять, трансформировать и уничтожать. Упорядоченная последовательность макетов операций образует макет ТП, который впоследствии можно модифицировать (изменять).
В зависимости от типа производства автоматически выбирается стратегия синтеза. В единичном и среднесерийном производстве используют стратегию концентрации: формируют операции, содержащие максимально возможное число технологических переходов обработки максимального числа поверхностей.
В крупносерийном и массовом производстве применяют стратегию дифференциации: число переходов в операции ограничено необходимостью соответствия штучного времени такту выпуска.
Сформированные макеты операций могут быть избыточными по числу включенных переходов и не отвечать ряду формальных требований к содержанию (составу) операций. Аналогичными недостатками может обладать и сформированная последовательность операций (макетов). Это вызывает необходимость в корректировке макета маршрутного ТП.
Установку заготовки при выполнении технологической операции определяют ее базы и схема закрепления, характеризующая место и направления действия сил закрепления заготовки. В настоящее время отсутствуют САПР ТП, в которых СУ определяется автоматически (или при минимальном диалоге пользователя с системой).
В результате анализа СУ, использующихся при изготовлении деталей, выявлено следующее:
· при установке используют не более четырех поверхностей заготовки;
· в СУ используют элементарные поверхности следующих основных типов: наружная цилиндрическая, внутренняя цилиндрическая, внутренняя коническая, плоскость;
· установочными базами чаще всего служат поверхности главных форм и функционально базовые поверхности (например, центровые отверстия).
Выбору СУ должно предшествовать генерирование максимально возможного числа их альтернативных вариантов. Генерируемые варианты СУ не должны противоречить общетехнологическим принципам и правилам.
Определение СУ для первой и последующих операций проектируемого ТП принципиально различаются. В первой операции ТП используют (и только один раз) черные установочные базы. Во второй и последующих операциях заготовку устанавливают на уже обработанные поверхности. Базовые поверхности должны быть обработаны в операциях, предшествующих выполняемой.
Выбор варианта СУ для первой операции основан на положении: выбранная СУ должна обеспечивать возможность обработки (доступа) для максимального числа поверхностей из их множества, запланированных для обработки в первой операции. Обработанные при выбранном варианте СУ поверхности маркируют и далее — при выборе СУ для последующих операций постоянно учитывают текущее состояние предмета производства.
Корректировку содержания и последовательности операций выполняют, пока не будут связаны базами все обрабатываемые поверхности и не сформированы все соответствующие операции. При синтезе формируют альтернативные варианты маршрутного ТП. Это связано с наличием, например, различных ключей группирования, альтернативности СУ, приводящих к различным продолжениям маршрутного ТП и т.д.
Предусмотрено «параллельное» формирование и рассмотрение альтернатив с определением необходимых (указываемых пользователем САПР ТП) итоговых технико-экономических показателей проектного решения. По этим показателям в последующем осуществляют оптимизацию маршрутного ТП.
В алгоритмах системы синтеза ТП широко используют технологические эвристики. Эвристика представляет собой частный (неполный) метод решения какой-либо задачи. Обычно это эмпирическое правило или стратегия.
Для предварительного определения содержания и последовательности операций используют следующие правила.
1. Начальными операциями процесса должны быть операции обработки технологических баз (промежуточных или окончательных). Их выполняют на черновом или получистовом этапах процесса изготовления детали. Операции обработки баз у тел вращения должны содержать обработку торцевых поверхностей.
2. Последовательность обработки зависит от системы простановки размеров на рабочих чертежах деталей: в начало ТП выносят обработку поверхностей, относительно которых на чертеже координировано наибольшее количество других поверхностей.
3. При невысокой точности исходной заготовки сначала обрабатывают поверхности, имеющие наибольшую толщину удаляемого материала (для раннего выявления дефектов заготовок).
4. Чем точнее поверхность, тем позже она обрабатывается окончательно в общем ТП изготовления детали.
5. Операции обработки поверхностей, имеющих второстепенное значение и не влияющие на точность основных размеров деталей (мелкие отверстия, фаски, канавки и т. п.), следует выполнять на чистовом этапе процесса, до операций окончательной обработки ответственных поверхностей.
6. Легкоповреждаемые поверхности (наружные резьбы, зубчатые поверхности с мелким модулем, наружные шлицевые поверхности и т. п.) обрабатывают на завершающих операциях ТП.
7. Операции, связанные с термическими и силовыми деформациями, должны выполняться до этапов чистовой и отделочной обработки.
8. Операции химико-термической обработки разделяют технологический процесс на самостоятельные части, каждая из которых может содержать операции чернового и получистового этапов.
9. Первыми после термической обработки выполняют операции обработки (восстановления) технологических баз.
10.Некоторые операции химико-термической обработки (цианирование, азотирование, цементация) требуют включения в ТП операций по обеспечению защиты поверхностей, для которых такая обработка не предусмотрена, например, гальванического меднения.
11. После операций, связанных со значительными деформациями заготовки или обеспечением высоких значений показателей качества, следует предусматривать контрольные операции.
12.Предварительное содержание операций определяют, объединяя переходы, которые могут быть выполнены на выбранном (заданном) оборудовании.
13.Возможно объединение в одну операцию переходов, соответствующих этапам:
• черновому и получистовому;
• получистовому и чистовому.
Допускают обоснованные отступления от изложенных принципов и правил. Например, при реализации принципа концентрации в одну операцию могут включать переходы, относящиеся к черновому, получистовому, чистовому этапам, однако указанные переходы должны выполняться последовательно и не могут выполняться одновременно.
Область применения систем синтеза ТП — многономенклатурное производство практически любого типа. Эффективному использованию систем способствует предметная специализация: желательно использование системы для проектирования ТП изготовления деталей ограниченного числа (близких) классов или групп. Создание автоматизированной системы синтеза ТП, инвариантной предмету производства (классу детали), является делом будущего.
ЛИТЕРАТУРА
1. Диалоговые САПР технологических процессов [Текст] : Учебник для вузов / В.Г. Митрофанов [и др.] – М.: Машиностроение, 2000. – 232с.
2. САПР в технологии машиностроения [Текст] : учебное пособие. – Ярославль: Яросл. гос. техн. ун-т, 1995. – 298с.
3. Кондаков, А.И. САПР технологических процессов [Текст] : учебник для студ. высш. учеб. завед. / А.И. Кондаков. – М.: «Академия», 2007. - 272с.
4. Суслов, А.Г. Научные основы технологии машиностроения [Текст] / А.Г. Суслов, А.М. Дальский. – М.: Машиностроение, 2002. – 306 с.
«Системы автоматизированного проектирования технологических процессов» методические указания для самостоятельной работы студентов по дисциплине «САПР ТП» специальности 151001 – Технология машиностроения для очной и заочной форм обучения. Часть 2.
операций устанавливают, используя априорное разделение ТП по этапам (см. табл. 5.1).
