Системы автоматизированного проектирования технологических процессов изготовления изделий машиностроения способствуют выполнению важнейшей функции при поддержке решений, принимаемых и реализующихся в ЖЦИ (см. рис. 1.1). Эти системы должны обеспечивать:
· проектирование ТП изготовления деталей;
· подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ;
· проектирование ТП сборки изделий.
Основная идея, положенная в основу автоматизации проектирования ТП, может быть сформулирована следующим образом: при заданной (и введенной в автоматизированную систему) информации о конструктивно-технологических параметрах предмета производства (детали, сборочной единицы, изделия), данных о производственных условиях и ресурсах, объеме выпуска изделий и т.д., система должна обеспечить проектирование и выдачу в заданных форматах ТП, пригодного для реализации в заданных производственных условиях, при минимальном приложении интеллекта специалиста. Качество полученного проектного решения должно быть не ниже, чем при его формировании специалистом соответствующей квалификации.
Изготовление конкретного изделия всегда осуществляют по единичному ТП. Поэтому, спроектированный с помощью рассматриваемой системы процесс чаще всего должен быть единичным. Проектирование единичного процесса может осуществляться либо только на основе описания конструктивно-технологических параметров предмета производства (индивидуальное проектирование), либо на основе ТП-аналогов (типовых и групповых). В соответствии с этим, различают САПР ТП, обеспечивающие автоматизированный синтез структур единичных процессов и САПР ТП, использующие ТП-аналоги. Однако и в последнем случае, результатом работы системы является единичный ТП.
Исторически усилия большинства исследователей и разработчиков направлялись на создание САПР ТП изготовления деталей. Теория и практика автоматизации проектирования ТП изготовления деталей наиболее разработаны. Вместе с тем в настоящее время практически отсутствуют полноценные системы, позволяющие осуществлять автоматизированный синтез единичных ТП (прежде всего – маршрутных) на основании конструктивно-технологических моделей детали и исходной заготовки. Это объясняется сложностью, наличием трудноформализуемых этапов проектирования ТП, недостаточной разработанностью теории синтеза структур сложных систем. Однако объективная потребность в автоматизации синтеза структур ТП неуклонно возрастает, что объясняется:
· необходимостью постоянного поиска новых технологических решений, позволяющих повысить конкурентоспособность изделий;
· желанием получать альтернативные варианты ТП с последующим их отбором и оптимизацией;
· стремлением максимально адаптировать ТП к изменениям производственной ситуации (нарушения заданного процесса, вы ход из строя оборудования, внесение изменений в конструкцию изделия и ТП) с целью гарантированного обеспечения качества изделия.
В последнем случае автоматизированный синтез ТП применяют не только для проектирования при ТПП, но и при непосредственном производстве для обеспечения качества технологических решений при их реализации.
Особенно актуально создание синтезирующих САПР единичных ТП изготовления деталей для производственных систем многономенклатурного (единичного и среднесерийного) производства. В мировом машиностроении около 85 % всех предприятий являются предприятиями именно с единичным и среднесерийным производством, причем доля этих предприятий постоянно увеличивается. Машиностроение становится все более многономенклатурным – это одна из основных тенденций его современного развития. На долю индивидуального проектирования единичных ТП изготовления изделий машиностроения приходится до 60 % объема всех задач проектирования ТП. Около 40 % приходится на долю задач проектирования, решаемых с использованием ТП-аналогов.
Любая производственная система обладает ограниченными технологическими возможностями и ресурсами. Автоматизация синтеза единичных ТП позволяет в максимальной степени учесть имеющиеся производственные ресурсы и наиболее эффективно использовать их. Синтезирующие САПР единичных ТП должны:
· удовлетворять основным принципам построения систем автоматизации ТПП;
· обеспечивать формирование единичных ТП (включая маршрутную и операционную технологию) изготовления деталей, независимо от класса последних, а лишь на основании их конструктивно- технологических характеристик, требований к качеству, данных об условиях изготовления и использующихся при этом ресурсах;
· обеспечивать выдачу результатов проектирования в форматах, указываемых пользователем и соответствующих требованиям ЕСТПП.
В основу создания САПР ТП изначально были положены идеи формализации процедур проектирования и, в целом, копирования действий человека – технолога – проектировщика ТП. Трудно- и неформализуемые этапы проектирования предполагалось выполнять в режиме диалога проектировщика с системой. При разработке САПР зачастую игнорировалось принципиальное различие процессов формирования решений в результате алгоритмического (процедурного) выполнения некоторой задачи (например, расчета припусков на механическую обработку, определения штучного времени и т.п.) и решений, принятие которых невозможно без участия специалиста.
При создании синтезирующих САПР единичных ТП принцип копирования действий человека-проектировщика несостоятелен вследствие ряда причин:
· особенности мыслительной деятельности человека (зрительное распознавание и восприятие геометрических образов, ассоциативное мышление, умение мыслить по аналогии и т.д.) в настоящее время исследованы недостаточно. Формализуется, как правило, лишь малая часть внешних (результативных) проявлений этой деятельности. Оставшаяся часть, определяющая основное содержание указанной деятельности человека, находится вне возможностей современной формализации, что, естественно, резко обедняет возможности создаваемых систем;
· современные информационные технологии дают ряд возможностей и преимуществ, которыми не обладает человек: возможность практически мгновенного перебора и селекции огромного числа вариантов решений, методы обработки нечисловой информации (ассоциативный выбор в базах данных, обработка списков и т.д.). Это позволяет организовать процедуры, не выполняющиеся человеком при неавтоматизированном проектировании ТП, но способствующие при автоматизации проектирования достижению его целей.
Отказ от копирования действий человека при работе САПР ТП снимает многие ограничения, накладываемые на систему и действия ее разработчика, например, необходимость технологической понятности каждого из выполняющихся этапов создания системы. Вместе с тем апробированная общая последовательность выполнения отдельных этапов проектирования ТП должна быть сохранена при работе САПР ТП.
Дальнейшее совершенствование автоматизированного технологического проектирования прямо зависит от решения проблемы автоматизированного синтеза структур технологических объектов, в частности, ТП. Создание полноценных автоматизированных систем синтеза единичных ТП позволит оснастить производственные системы мощными средствами поддержки технологических решений, функционирующими в режиме реального времени производственной системы.
Приближенные оценки соотношений долей трудоемкости проектных работ, выполняющихся в автоматизированном режиме при индивидуальном проектировании единичных ТП изготовления деталей, приведены в табл. 1.1. Эти оценки отражают современный уровень автоматизации проектирования указанных ТП и свидетельствуют о недостаточной разработанности САПР ТП, осуществляющих индивидуальное проектирование процессов изготовления деталей машин. Создание полноценных САПР ТП данного класса является делом будущего.
Проектирование единичного ТП изготовления конкретной детали на основе аналогов выполняют по следующей схеме:
· проводят поиск ТП-аналога (обычно это типовой, реже - групповой ТП);
· выполняют корректировку ТП-аналога на основе сравнения конструкции и технологических параметров типовой и конкретной деталей, т.е. включают в базовый ТП-аналог дополнительные технологические операции или, наоборот, исключают ненужные.
В результате получают единичный ТП изготовления конкретной детали. Принципиальным отличием такого проектирования от индивидуального является замена процедуры создания (синтеза) структуры процесса поиском аналога и его корректировкой. Качество спроектированного ТП в последнем случае определяется качеством поиска аналога и его корректировки.
Таблица 1.1 – Соотношение трудоемкостей основных этапов индивидуального проектирования единичных ТП изготовления деталей
Этап проектирования
Доля в общей трудоемкости проектирования ТП, %
Доля трудоемкости работ, выполняющихся в автоматизированном режиме, от трудоемкости работ этапа, %
Разработка технологии: маршрутной
операционной
25 … 45
50 … 60
Близка к 0
35 … 45
Технологическое нормирование
5 … 10
Методология создания САПР ТП на основе аналогов разработана значительно глубже, чем САПР ТП, осуществляющих автоматизированный синтез единичных процессов. Известен ряд примеров реализации САПР ТП данного класса, различающихся полнотой удовлетворения потребностей пользователя и построенных по единому принципу. Однако при создании подобных систем существует ряд нерешенных научно-технических задач, например:
· классификации – выделение необходимого и достаточного множества конструктивно-технологических признаков, на базе которых конкретная деталь с достаточной достоверностью может быть отнесена к определенному классу;
· выбора (коррекции) схем установки заготовок при выполнении технологических операций.
Подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ в настоящее время можно считать полностью автоматизированной подфункцией ТПП. Разработано значительное число систем автоматизированного программирования, позволяющих получать управляющие программы высокого качества независимо от используемого постпроцессора системы ЧПУ. Подготовку программ выполняют, как правило, в следующей последовательности:
· указывают модель постпроцессора системы ЧПУ;
· на специализированном языке описывают геометрию обрабатываемых на станке с ЧПУ зон заготовки и технологические параметры, соответствующие выполняемой операции;
· по окончании работы системы автоматизированного программирования контролируют полученную управляющую программу.
Системами автоматизированного программирования часто оснащают современные станки с ЧПУ. В этом случае система управления станком работает в мультипрограммном режиме, обеспечивая одновременно и управление станком по уже введенной программе, и подготовку новой управляющей программы.
Системы автоматизированного программирования иногда специализированы по технологическим методам, но достаточно универсальны по типам устройств ЧПУ. К нерешенным научно-техническим задачам, связанным с автоматизацией подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ, можно отнести обеспечение качества обработки при подготовке управляющей программы. Прежде всего это автоматизация коррекции траектории относительного движения инструмента или режимов обработки с целью обеспечения заданного качества, в особенности при изготовлении сложных и ответственных деталей.
Автоматизация проектирования ТП сборки изделий в настоящее время является одной из наиболее актуальных, сложных и наименее разработанных проблем современного машиностроения. Число САПР ТП, поддерживающих проектирование процессов сборки, незначительно. Уровень автоматизации проектирования процессов сборки низок. Это объясняется следующими основными причинами:
· технологические методы сборки по своей сути, в частности - кинематически, сложны. Их практическая реализация отличается большим разнообразием действий, выполнение которых лежит за пределами возможностей современных средств автоматизации;
· процессы сборки имеют ветвящуюся (древовидную) структуру, их отличает исключительная многовариантность и возможность неожиданных для разработчика продолжений;
· сборка является завершающим этапом изготовления машины, поэтому требования к обеспечению ею заданного качества (точности) приобретают особую остроту;
· методы обеспечения заданной точности сборки весьма разнообразны и слабоформализованы, строгие правила их эффективно го применения отсутствуют;
· базовые методологические принципы и правила проектирования ТП сборки разработаны недостаточно, процесс проектирования зачастую носит творческий характер и не может быть выполнен без участия специалиста.
Приведенные причины сильно ограничивают возможности формализации при решении задач технологического проектирования сборки изделий. Это, в свою очередь, вызывает серьезные затруднения при разработке САПР ТП сборки. Исключительная актуальность проблемы автоматизации проектирования ТП сборки вызывает необходимость интенсификации исследований в указанной области и унификации их результатов на единой методической базе, основу которой могут составить CALS-стандарты. Последнее обстоятельство исключительно важно для САПР ТП в целом, так как их разработка на единой методической базе существенно облегчает интеграцию указанных систем с другими при автоматизации ТПП.
Контрольные вопросы
1. Что называют ЖЦИ? Перечислите его основные этапы.
2. Что такое ТПП? Укажите се основные функции.
3. Что включает в себя ПТЦ?
4. Что относят к входной информации для выполнения ТПП?
5. Каковы основные результаты ТПП?
6. Каковы основные виды ТП изготовления изделий в машиностроении? Какие процессы называют процессами-аналогами? Чем они различаются?
7. Перечислите основные документы, используемые при разработке ТП изготовления деталей и сборки.
8. Что такое CALS-технологии?
9. Укажите основной стандарт CALS-технологий. Что он определяет?
10. Перечислите основные системы автоматизации, использующиеся на различных этапах ЖЦИ. Каковы основные функции каждой из них?
11. Каковы основные принципы разработки эффективных автоматизированных систем ТПП?
12. Что такое САПР ТП? Какие функции они выполняют?
13. Дайте характеристику современного состояния автоматизации основных функций САПР ТП.
14. С решением какой научной проблемы связано основное направление совершенствования САПР ТП?
