Исследование и разработка методов решения задач конструкторско-технологической подготовки производства предприятий машино-и приборостроения в условиях применения CAD/CAM-систем

Современное состояние предприятий машинои приборостроения характеризуется устойчивой тенденцией усложнения выпускаемой продукции наряду с увеличением номенклатуры и уменьшением серийности производства, что ведет к значительному увеличению объемов и сроков выполнения работ в сфере конструкторско-технологической подготовки производства. Необходимость реализации требований рыночной экономики заставляет предприятия постоянно улучшать потребительские свойства и качество изделий при максимальном сокращении сроков их выпуска.

В такой ситуации единственно возможным путем обеспечения высоких темпов, гибкости и качества производства является использование автоматизированного и механизированного оборудования, последних достижений в области технологических методов производства, средств, обеспечивающих комплексную автоматизацию предприятия. Характерной особенностью современных методов производства и технологического оборудования является то, что они обеспечивают наиболее высокую эффективность использования при наличии цифровой модели объекта производства. Данное обстоятельство обусловливает применение интегрированных САЭ/САМ-систем, а также систем класса РОМ, решающих задачу автоматизированного управления большим количеством конструкторско-технологических данных и документов.

Современные САО/САМ-системы являются стратегическим средством повышения конкурентоспособности продукции и гибкости производства и обеспечивают предприятию переход на качественно новый уровень решения конструкторско-технологических задач на основе объемных геометрических моделей объектов производства. Вместе с тем, как показывает опыт использования таких систем отечественными предприятиями, их внедрение в большинстве случаев не позволяет достичь показателей производительности труда, соответствующих показателям передовых промышленных стран.

Такая ситуация складывается в связи с тем, что, несмотря на их универсальность, применение САР/САМ-систем (распространяющихся в нашей стране лишь с начала 90-х годов) вызывает значительные функциональные и организационные изменения в подготовке производства и связано с решением многих технических, социальных и других сопутствующих проблем.

Данные трудности обусловлены отсутствием методического и организационного обеспечения по использованию объемных моделей объектов производства в связи с тем, что основные системы стандартов, определяющие организацию процессов разработки технической документации (ЕСКД, ЕСТД и др.), не учитывают появление в процессах подготовки производства новых видов информации и данных об изделиях.

В современных экономических условиях на базе дорогостоящих САР/САМ-систем в лучшем случае создаются десятки автоматизированных рабочих мест. При этом массовыми на предприятиях остаются традиционные технологии проектирования и подготовки производства. Это обстоятельство предъявляет дополнительные требования к методическому обеспечению внедряемых САО/САМ-систем, которое должно в первую очередь учитывать существующую организацию процессов разработки технической документации.

Задача выбора конкретной САЭ/САМ-системы в настоящее время стоит перед сотнями отечественных предприятий. Однако, при решении данной задачи специалисты, в основном, базируются на субъективном подходе и опыте других предприятий. Это приводит, зачастую, к тому, что выбор таких средств осуществляется некорректно и экономически неоправданно. В таких условиях одним из критериев выбора становится соответствие системы эффективным методам ее применения с учетом особенностей предприятия, что обеспечит повышение эффективности конструкторско-технологической подготовки производства в целом.

Таким образом, исследование существующих методов решения задач конструкторско-технологической подготовки производства и разработка эффективных методов применения САР/САМ-систем для решения данных задач на предприятиях машинои приборостроения весьма актуальны.

Связь работы с крупными научными программами. Тематика проведенных в рамках диссертационной работы исследований формировалась в соответствии с задачами, определенными в: федеральной инновационной программе «Российская инжиниринговая сеть технических нововведений», утвержденной постановлениями правительства Российской Федерации от 15.04.1994 г. № 322 и от 4.12.1995 г. № 1207- программе «Компьютерные технологии», Р5, утвержденной Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации от 22.02.1996 г. № 1224.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов решения задач конструкторско-технологической подготовки производства с применением САР/САМ-систем, обеспечивающих обоснованность выбора таких систем, сокращение сроков внедрения и повышение эффективности эксплуатации на предприятиях машинои приборостроения.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе потребовалось решить следующие основные задачи.

1. Исследовать существующие методы решения конструкторско-технологических задач, а также функциональные возможности САР/САМ-систем и методы их применения в конструкторско-технологической подготовке производства.

2. Разработать концептуальную модель объекта производства, служащую основой для разработки методов использования САР/САМ-систем.

3. Разработать схему решения задач конструкторско-технологической подготовки производства, обеспечивающую интеграцию их решения на основе концептуальной модели.

4. Разработать метод проектирования операционных эскизов, базирующийся на применении объемных моделей объектов производства.

5. Разработать метод проектирования управляющих программ для станков с ЧПУ, основанный на применении унифицированных технологических решений.

6. Разработать средства адаптации САР/САМ-систем к требованиям ЕСКД и ЕСТД, предъявляемых к графической конструкторской и технологической документации, а также средства обеспечения использования РОМ-систем для управления конструкторско-технологическими данными.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались основы теории сложных систем, методы системно-структурного анализа, теория множеств, метод групповой технологии и организации группового производства, методы геометрического моделирования и параметризации геометрических объектов в автоматизированном проектировании.

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:

— разработана концептуальная модель объекта производства, являющаяся основой для разработки методов решения и интеграции задач конструкторско-технологической подготовки производства в условиях применения САР/САМ-систем;

— предложена методика проектирования объектов производства с использованием САР/САМ-систем, базирующаяся на концептуальной модели и обеспечивающая соответствие применяемым стандартам на разработку технической документации;

— разработан метод проектирования операционных эскизов, основанный на применении твердотельного параметрического моделирования объектов производства;

— разработан метод проектирования управляющих программ фрезерной обработки деталей на станках с ЧПУ с использованием САР/САМ-систем, основанный на применении унифицированных технологических решений.

Практическая ценность полученных в работе результатов заключается в следующем:

— разработана интегрированная с базовой САР/САМ-системой специализированная подсистема, дополняющая предложенную методику проектирования объектов производства и обеспечивающая автоматизированное проектирование конструкторской документации в соответствии с требованиями ЕСКД;

— разработана специализированная подсистема, интегрированная с базовой САР/САМ-системой и реализующая автоматизированное проектирование графической технологической документации в соответствии с требованиями ЕСТД;

— разработана внешняя модель объекта производства, которая отражает состав и структуру геометрических моделей и документов, описывающих объект производства, и обеспечивает использование РРМ-систем для управления конструкторско-технологическими данными.

Внедрение работы. Разработанные автором методическое обеспечение и программные средства используются на ряде промышленных предприятий России и стран СНГ при решении конструкторских и технологических задач с использованием САР/САМ-систем. Среди этих предприятий такие, как: НИИ командных приборов, ОАО «Красный Октябрь», АО «Петербургский тракторный завод» и другие. Кроме того, разработанные методы используются в учебном процессе ряда ВУЗов страны. Имеются акты внедрения.

Экономическая значимость результатов определяется тем, что они существенно расширяют сферу применения современных автоматизированных систем и повышают уровень автоматизации решения конструкторских и технологических задач. Применение полученных результатов обеспечило сокращение сроков решения задач подготовки производства в 2−4 раза.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

— концептуальная модель объекта производства, являющаяся основой для разработки методов решения задач конструкторско-технологической подготовки производства в условиях применения САР/САМ-систем;

— сквозная схема интеграции решения конструкторских и технологических задач на основе концептуальной модели, включающая методику проектирования объектов производства с использованием САй/САМ-систем;

— метод проектирования операционных эскизов, основанный на применении твердотельного параметрического моделирования объектов производства;

— метод проектирования управляющих программ фрезерной обработки деталей на станках с ЧПУ с использованием С АР/С АМ-систем, основанный на применении унифицированных технологических решений.

Достоверность результатов работы определяется:

— теоретическими положениями, полученными с использованием современных достижений фундаментальных и прикладных наук;

— экспериментальным подтверждением адекватности используемых при исследованиях моделей;

— успешной апробацией в производственных условиях решений, полученных на основе теоретических разработок.

Личный вклад соискателя. Все основные результаты и положения, выносимые на защиту, получены лично соискателем.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на региональной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в проектировании и производстве», г. Северодвинск, 1997; на 4-й Украинской конференции «Автоматика 97», г. Черкассы, 1997; на научном семинаре «САР/САМ-системы в учебном процессе технических университетов» Санкт-Петербургского Дома Ученых им. М. Горького, 1997; на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО (ТУ), Санкт-Петербург, 199 $.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано семь печатных работ.

Выводы и результаты.

1. Разработан метод проектирования операционных эскизов, основанный на применении твердотельного параметрического моделирования объектов производства. Преобразование геометрических моделей осуществляется в последовательности, обратной выполнению операций технологического процесса. В работе обоснован выбор способа преобразования моделей. Разработанный метод используется при проектировании технологических процессов механической обработки и сборки.

2. Разработана специализированная подсистема, интегрированная с базовой CAD/CAM-системой и реализующая автоматизированное проектирование графической технологической документации в соответствии с требованиями ЕСТД.

Подсистема реализована в среде операционных систем MS Windows 95 / NT и имеет механизм настройки на условия в соответствии с составом решаемых технологических задач.

Использование предложенной подсистемы позволило расширить сферу применения CAD/CAM-систем в технологической подготовке производства.

3. Исследован метод группирования деталей, обрабатываемых на фрезерных станках с ЧПУ, и выявлены дополнительные признаки группирования. Детали группы (геометрические модели операционных заготовок) описываются в виде упорядоченного множества обрабатываемых зон и характеризуются подобием состава и последовательности применяемых унифицированных процедур расчета траектории движения инструмента CAD/CAM-систем. Это позволило учитывать особенности проектирования управляющих программ с использованием САР/САМ-систем.

4. Предложены правила выделения характерной детали группы, на основе которой разрабатывается модель комплексной детали. Характерная деталь определяется на основе анализа трудоемкости выбора схемы и параметров обработки САР/САМ-системы.

Правила используются при проектировании управляющих программ фрезерной обработки с использованием САР/САМ-систем.

5. Разработан метод проектирования управляющих программ фрезерной обработки деталей с использованием САО/САМ-систем, основанный на применении унифицированных технологических решений. Данный метод предполагает формирование базы данных комплексов признаков, используемых при группировании, и комплексов параметров, определяющих унифицированные траектории движения инструмента, а также применение правил выделения характерной детали группы, что в совокупности обеспечивает сокращение сроков разработки УП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе выполнен комплекс научных исследований и инженерных разработок, направленных на повышение эффективности внедрения и эксплуатации С АО/С АМ-си сте м при решении задач технической подготовки производства на предприятиях машинои приборостроения.

Основными результатами, полученными в диссертационной работе, являются следующие.

1. На основе результатов проведенных исследований существующих методов решения конструкторско-технологических задач, а также функциональных возможностей С АО/С АМ-си сте м и методов их применения в конструкторско-технологической подготовке производства разработана концептуальная модель объекта производства, являющаяся основой для разработки методов решения данных задач в условиях применения САО/САМ-систем.

2. На основе концептуальной модели разработана внешняя модель объекта производства, отражающая состав и структуру геометрических моделей и документов, описывающих объект производства. Предложенные рекомендации по обозначению моделей и документов обеспечивают реализацию разработанной внешней модели в системах класса РОМ.

3. Разработана схема решения задач конструкторско-технологической подготовки производства, обеспечивающая интеграцию их решения на основе концептуальной модели. Разработанная схема включает методику проектирования объектов производства с использованием САО/САМ-систем.

4. Разработан метод проектирования операционных эскизов, базирующийся на применении объемных моделей объектов производства. Метод предусматривает преобразование геометрических моделей в последовательности, обратной выполнению операций технологического процесса. Выбор способа преобразования моделей обоснован. Разработанный метод используется при проектировании технологических процессов механической обработки и сборки.

5. Разработан метод проектирования управляющих программ для станков с ЧПУ, основанный на применении унифицированных технологических решений. Метод использует предложенные дополнительные признаки группирования и правила выделения характерной детали группы, на основе которой разрабатывается модель комплексной детали. Разработанный метод предполагает формирование базы данных комплексов признаков группирования и комплексов параметров, определяющих унифицированные траектории движения инструмента в САО/САМ-системе.

6. Разработаны специализированные подсистемы, интегрированные с базовой САР/САМ-системой и реализующие автоматизированное проектирование графической конструкторской и технологической документации в соответствии с требованиям ЕСКД и ЕСТД.

Предложенные методы и программные средства позволяют расширить сферу применения САР/САМ-систем, повысить уровень автоматизации решения задач при разработке конструкторской и технологической документации, усилить интеграцию специалистов предприятий на базе средств вычислительной техники и современных программных систем. Научные результаты, полученные в работе, могут служить теоретической основой при создании новых и совершенствовании существующих автоматизированных систем, предназначенных для решения конструкторских и технологических задач.