Метод автоматизированного проектирования станочных приспособлений на основе интегрированных моделей элементов технологической системы

Процесс конструкторско-технологического проектирования, в том числе станочных приспособлений, является неоднородным в отношении используемых методов и приемов. Ему свойственна слабая структурированность задач, неполнота и противоречивость данных, многовариантность допустимых решений и путей их поиска, значительная размерность проектной и справочной информации.

Качество и скорость проектирования в значительной мере зависят от квалификации конструкторов. Доказано, что автоматизированное проектирование, особенно в CAD/CAM/CAE-системах, имеет ряд преимуществ по сравнению с ручным, позволяет тиражировать опыт передовых специалистов.

В последнее время развитие информационных технологий и программного обеспечения привело к созданию CAD/CAE/CAM-систем нового поколения, позволяющих автоматизировать решение разнородных задач технологической подготовки производства (ТПП). CAD/CAM/CAEсистемы различаются существенно по возможностям, цене и удобству интерфейса, но регламентируют, в основном, методы построения и виды графических моделей. Методы построения, в свою очередь, допускают широкие возможности, однако, обусловливают разную степень сложности для получения одних и тех же моделей объектов [28]. Быстрая смена версий CAD-систем усложняет процесс поддержки и сокращает жизненный цикл специализированных САПР на их основе. Обособленность математических моделей систем проектирования СП от CAD-моделей объекта производства и САПР технологических процессов (ТП) значительно увеличивает сроки проектирования СП и не гарантирует требуемого качества обработки. Поэтому разработка метода автоматизированного проектирования СП, обеспечивающего использование математических моделей и передачу данных из среды конструирования объекта производства (CAD), среды технологического проектирования (САПР ТП) в среду проектирования СП, включив их в единое корпоративное информационное пространство в рамках тенденций внедрения CALS-технологий [10, 68, 136] и создания гибкого автоматизированного производства (ГАП) [135] является актуальной.

К системам автоматизированного конструкторско-технологического проектирования современного уровня можно предъявить следующие требования:

1) гибкость, расширяемость, масштабируемость;

2) высокая степень интеграции и взаимодействия автоматизированных единиц на основе единого информационного пространства;

3) интеллектуальность;

4) связанность проектирующих компонентов системы.

Все это характеризует предлагаемый в данной работе метод проектирования станочных приспособлений как адаптируемый к заведомо неоднородной среде при определении условий и используемых методов решения задач, состава и достоверности данных, видов моделей объекта и процесса проектирования. Объект проектирования — станочное приспособление — рассматривается как совокупность обособленных фрагментов и объектов действительности, состоящих между собой в отношениях подчинения, включения и др. Моделирование этих объектов, как некоторой целостности, осуществляется с помощью интеграции конструкторско-технологических моделей, которые представляют собой обобщенное унифицированное связное описание предметной области, поглощающее в себе все информационные потребности. Рассмотрены три класса моделей объектов технологической системы:

— модель детали и операции технологического процесса (ТП),.

— интегрированные модели станочного приспособления (СП),.

— компоновочные параметрические модели СП.

Технология проектирования любого изделия характеризуется по Шигли [153] как интерактивная процедура, имеющая шесть четко различимых этапов [152]:

Выявление потребностей.

V.

Постановка задачи Г.

-> -> Синтез проектных решений.

1 Г.

Анализ и оптимизация.

1 Г.

Оценка.

Представление результатов.

Рис. В.1. Типовая схема процесса проектирования по Шигли.

Основной задачей проектирования СП является формирование проектной документации для изготовления СП, отвечающего эксплуатационным требованиям, с минимизацией затрат на проектирование и изготовление СП.

Потребность в проектировании СП (рис. В.1) определяется многообразием конструкций механообрабатываемых деталей, от чего зависит способ их установки и закрепления. Применение приспособлений позволяет устранить разметку заготовок перед обработкой, повысить точность и производительность обработки, снизить себестоимость продукции, облегчить условия работы и обеспечить ее безопасность, расширить технологические возможности оборудования как универсального, так и станков с ЧПУ, гибких производственных модулей. Проектирование и изготовление технологической оснастки относятся к наиболее трудоемким работам технологической подготовки производства (ТПП) изделий [127, 12, 87]. а) Трудоемкость проектирования и изготовления одного СП по справ.Б. Н. Вардашкина (пред.) и др.-Т.2. 132].

1000,0.

Е1 Конструирование.

Деталирование.

Контроль чертежей.

Сверка калек.

Копирование И Изготовление.

Группа сложности 1−5, 6-средние значения б) Средние трудозатраты на ручное проектирование СП (по Раковичу А. Г. [111]).

1. Ознакомление с заданием на 45 ————————— проектирование.

2. Поиск информации.

3. Разработка чертежа общего вида.

4. Выполнение расчетов.

5. Деталировка.

6. Сверка калек.

7. Составление спецификации.

8. Контроль 1 2 3 4 5 6 7 8.

Вид работы.

Рис. В.2. Средняя трудоемкость проектирования и изготовления одного СП.

Этапы синтеза и анализа (рис.В.1) тесно связаны друг с другом и носят итеративный характер. На каждой итерации происходит улучшение первоначальных проектных решений. Каждый цикл анализа и проектирования может потребовать большое количество времени и трудозатрат. Для единичного и мелкосерийного производства время, отводимое на проектирование СП, весьма ограничено.

Трудоемкость различных этапов проектирования и изготовления СП может быть представлена на основании [132, С.11- 111] в виде диаграмм (рис.В.2), из которых следует, что значительная доля трудозатрат приходится на поиск информации (рис. В.2, б), разработку чертежа общего вида и деталировку (рис.В.2, а, б). Очевидно, что автоматизация проектирования на основе современных модельных представлений объектов СП позволяет перераспределить трудозатраты с рутинных работ, какими являются поиск информации, деталирование, составление спецификаций, копирование, на более подробную проработку конструкторских и технологических решений. Это в свою очередь позволит решить актуальную задачу сокращения трудозатрат, сроков проектирования СП и технологической подготовки производства (ТПП) в целом, улучшения качества проектных решений.

САПР СП, основанные на интегрированных CAD/CAM/CAE-системах и интеллектуальных методах проектирования, позволяют быстрый синтез конструкций, но требуют первоначальных затрат на CAD-систему, разработку САПР СП и освоение CAD-системы (в течение 1 года порядка $ 10 000 США). Причем, универсальные CAD и САПР СП, ввиду огромного количества применяемых стандартов деталей и узлов, разнообразия условий производства в любом случае потребуют дополнительной адаптации по времени и затратам, сравнимой с разработкой САПР-части под заказ [105]. В связи с этим была поставлена цель в области автоматизации проектирования станочных приспособлений.

Цель работы.

Разработка метода автоматизированного проектирования станочных приспособлений (СП), обеспечивающего: получение в условиях ускорения ТПП, независимо от системы СП, вариантов конструкций, приемлемых по качеству и затратам на проектирование и изготовлениеполучение САПР типовых СП, интегрированных с CAD/CAM/CAE-системами и САПР ТП изготовления деталей.

Определим проектирование как процесс создания такого описания объекта, который необходим и достаточен для его реализации в заданных условиях [133]. Тогда проект — это совокупность описаний объекта проектирования (моделей проектных документов), соответствующих заданному перечню.

Понимая под задачей проектирования СП цель, данную в определенных производственных условиях, представим ее как систему из трех компонентов:

ЗП= <�М (0)ц, M (0)np, Q>, где.

М (0)ц — целевая модель объекта проектирования, представляющая собой техническое задание на проектирование СП;

М (0)пр — продуктивная модель объекта проектирования, представляющая собой комплект технической документации для изготовления или использования СП в производственных условиях, которая отвечает требованиям ЕСКД и ЕСТД;

Q — ограничения на временные, трудовые и материальные ресурсы, выделяемые для проектирования СП.

Метод проектирования — это система правил и приемов проектирования, или функциональная модель процесса проектирования [133]. Преобразование М (0)ц М (0)пр осуществляется через получение ряда промежуточных состояний Mi (O) объекта проектирования:

Mi (0)=Fmi (Ma, Мр) где Mi (0) — модели объектов проектирования (деталей, узлов, конструктивных элементов, технологического процесса, проекта в целом) — - метод проектированияМа — модели параметров (атрибутов) проектирования (вычисляемые, назначаемые, табличные, экспертные) — Мр — модели процессов (процедур) проектирования.

Задачи исследования.

1. Исследование методов проектирования СП и применяемых конструкторско-технологических моделей.

2. Исследование CAD/CAM/CAE-систем применительно к автоматизации проектирования СП.

3. Разработка концепции метода автоматизированного проектирования СП, интегрированного с CAD/CAM/CAE — системами и САПР ТП.

4. Разработка способов автоматизации расчетов, основанных на общности моделей объекта производства, его промежуточного состояния и технологической системы.

5. Создание математических и информационных моделей СП, отвечающих концепции разрабатываемого метода проектирования СП.

6. Разработка эффективного способа накопления и преобразования конструкторско-технологической информации в базы данных и знаний в процессе проектирования.

Методика исследования.

Использовались: основные положения технологии машиностроения, методы проектирования и конструирования станочных приспособлений, теория и CASE-средства создания информационных систем, теории графов, множеств, фреймов, логика предикатов и продукционных систем, методы и способы представления и обработки знаний, теория проектирования БД. Исследования CAD/CAM/CAE-систем и разработка метода проводились на ПК в лаборатории САПР ТП кафедры «Технология машиностроения» и отделе АСУ ТП МУП «Уфаводоканал» .

Научная новизна.

1. Новизна метода автоматизированного проектирования СП в CAD/CAM/CAE-системах, основанного на интегрированных математических и информационных моделях элементов ТС, из которых в результате анализа межоперационного состояния объекта производства формируется концептуальная модель СП, уточняемая в процессе проектирования путем реализации программных комплексов экспертных, расчетных и компоновочных проектных процедур.

2. Новизна интегрированных моделей объекта производства и функциональных элементов СП и процедур порождения САПР типовых СП в процессе проектирования в параметрической CAD/CAM/CAE-системе. Процедуры основаны на интеграции моделей межоперационного состояния объекта производства и функциональных элементов СП и обеспечивают повышение эффективности использования CAD/CAM/CAE-систем «среднего» и «тяжелого» класса.

3. Новизна моделей и методик проектирования процедур автоматизированных проектных расчетов, не зависящих от контекста расчетного приложения, позволивших реализовать автоматизированные процедуры определения исполнительных и координирующих размеров установочных и направляющих элементов, зажимных элементов в станочных приспособлениях.

На защиту выносятся:

1. Метод автоматизированного проектирования СП, основанный на интегрированных математических и информационных моделях объекта производства и элементов технологической системы при конструировании, технологическом проектировании на базе параметрической CAD/CAM/CAE-системы, внешних баз данных и знаний о СП.

2. Автоматизированные проектные процедуры и математические модели расчета точности геометрических параметров межоперационного состояния объекта производства в составе программных комплексов APROPOS и ГрафиТ ТМ.

3. Интегрированные математические и информационные модели элементов ТС, позволяющие формировать прототипы конструкций в системе автоматизированного проектирования СП, модели и процедуры порождения типовых конструкций СП.

4. Методика разработки процедур автоматизированных проектных расчетов СП в процессе проектирования и автоматизированные проектные процедуры определения исполнительных и координирующих размеров СП, элементов зажима заготовок в СП, обеспечивающие заданную точность геометрических параметров объекта производства в составе программного комплекса E-SE-SP.

Практическая ценность и реализация работы.

Диссертационная работа выполнена в ходе НИР: «Разработка научных основ и методов создания интегрированной среды автоматизированного проектирования технологических процессов» (инв. № 2 960 001 823, Сборник рефератов НИР и ОКР 50.05.96.0375, участие в качестве соисполнителя), «Разработка научных основ и методов создания систем технологического проектирования с интеллектуальными компонентами на основе объектно-ориентированной архитектуры» (инв. № 2 960 000 620, 50.04.96.0371, соисполнитель), «Принципы построения интегрированных конструк-торско-технологических моделей для решения слабоструктурированных задач инженерного проектирования» (инв. № 2 980 000 175, 55.03.98.0024, соисполнитель), «Научные основы и методы решения технологических задач на основе разнородных кон-структорско-технологических моделей» (инв. № 2 990 001 552, 55.05.99.0056, соисполнитель), «Научные основы и принципы построения систем автоматизированного проектирования технологических процессов и технологической оснастки, основанные на перспективных информационных технологиях» (инв. № 2 200 004 554, 55.02.2001.0196, отв. исполнитель), «Автоматизированное проектирование элементов производственных систем (цехов и участков) предприятия в системе технологической подготовки производства» (инв. № 220 000 343, 55.04.2000.0070, соисполнитель) под научным руководством Рахимова Э.Г.- канд. техн. наук, доцента, Мухина B.C.- докт. техн. наук, профессора, Иванова В.Ю.- канд. техн. наук, Афанасьева В. П. — канд. техн. наук, доцента.

Совместно с Рахимовым Э. Г. Ивановым В.Ю., Рахманкуловым Г. М. разработаны программы для ЭВМ: среда подготовки технологии (СПТ) «ГрафиТ ТМ», комплекс технологических размерных расчетов «APROPOS». «ГрафиТ ТМ» и «APROPOS» внедрены на УАП «Гидравлика», Запорожском объединении «Мотор ач» и АО «Рыбинские моторы». «APROPOS» внедрен в учебный процесс при подготовке инженеров-технологов и магистров наук на кафедре технологии машиностроения УГАТУ. На основании теоретических исследований автором в качестве ответственного исполнителя ведется разработка САПР станочных приспособлений E-SE-SP на базе Solid Edge v.7 по хоз. договору УГАТУ с ФГУП КумАПП №АТ-ТМ-02−00-ХГ (руководитель темы Афанасьев В.П.), часть которой внедрена.

Апробация работы.

Научные и практические результаты по различным разделам диссертации опубликованы в материалах 8 международных и 3 Российских и республиканских конференций, в том числе представлялись в электронной конференции: АИМ 2000 (ТулГУ). Зарегистрированы в РосАПО программы для ЭВМ APROPOS 6.0 и СПТ ГрафиТ ТМ 2.06.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ:

1. Антипина Jl.А., Рахманкулов Г. М., Иванов В. Ю. Метод структурно-параметрической оптимизации по критерию точности в САПР ТП механообработки // Технология механообработки: физика процессов и оптимальное управление: Тез. докл. международной конференции. -Уфа: УГАТУ, 1994. -С.90−91.

2. Иванов В. Ю., Антипина Л. А., Рахимов Э. Г. Подход к созданию САПР ТП для ускорения разработки качественных технологических процессов механообработки// Поверхность: технологические аспекты прочности детали: межвузовский научный сборник. -Уфа:УГАТУ, 1994. -С. 130−134.

3. Иванов В. Ю., Антипина Л. А. Продуктивная модель технологического проектирования со свойствами активного отображения информации// «XX Гагаринские чтения»: Тез. докл. научной конференции.-М.:МГАТУ имени К. Э. Циолковского,.

1994.-С.116−117.

4. Иванов В. Ю., Антипина Л. А., Шляпин Е. Ю. Принцип комбинированного вывода в экспертной системе продукционно-фреймового типа с обработкой исключений // Технология и оборудование современного машиностроения: Тез.докл. научной конференции, — Уфа: УГАТУ, 1994. -С. 15−16.

5. Иванов В. Ю., Рахимов Э. Г., Антипина Л. А. Интеллектуальная инфраструктура интегрированной среды автоматизированного проектирования// Технология механообработки: физика процессов и оптимальное управление: Тез.докл. международной конференции.- Уфа: УГАТУ, 1994. -С.93−94.

6. Антипина Л. А., Иванов В. Ю. Анализ простановки и добавление неуказанных отклонений расположения в комплексе размерных расчетов APROPOS// XXI Гагаринские чтения: Сборник тез. докл. молодежной научной конференции.-М.:МГАТУ имени К. Э. Циолковского, 1995.-4.1.-С. 18.

7. Иванов В. Ю., Антипина Л. А. Визуальные модели детали и плана обработки в задаче оптимизации технологических размерных структур// МОДЕЛЬ-ПРОЕКТ-95: Тез. докл. международной научно-технической конференции. -Казань: КГТУ,.

1995. -С.34−36.

8. Антипина Л. А., Рахимов Э. Г., Иванов В. Ю. Метод построения интегрированной системы автоматизированного проектирования приспособлений для механообработки //Оптимизация процессов обработки конструкционных материалов: Межвузовский тематический научный сборник. -Уфа:УГАТУ, 1996.-С.118−120.

9. Рахимов Э. Г., Иванов В. Ю., Антипина Л. А. Формирование конструкторско-технологических моделей детали на основе распознавания графической информации// Моделирование интеллектуальных процессов проектирования и производства: Тез. докл. международной научно-технической конференции.-Минск, 1996.-С.124.

Ю.Иванов В. Ю., Рахимов Э. Г., Антипина Л. А. Среда проектирования технологических процессов изготовления деталей агрегатов и двигателей «Графит ТМ7/ Проблемы и перспективы развития двигателестроения в поволжском регионе: Тез. докл. международной научно-технической конференции — Самара, 1997. -С 78−79. П. Рахимов Э. Г., Антипина JI.A. Перспективы развития среды подготовки технологии изготовления деталей ГрафиТ ТМ// Моделирование интеллектуальных процессов проектирования и производства (САБ/САМ/*98):Тез. докл. второй международной научно-технической конференции.- Минск, 1998. -С.98−99.

12. Антипина Л. А., Иванов В. Ю. Метод автоматизации расчета ожидаемой погрешности для различных видов механообработки// Проблемы и перспективы развития двигателестроения в поволжском регионе (II): Тез. докл. междунар. научно-технической конференции.- Самара, 1999. С. 100−101.

13.Карамышева Э. Р., Иванов В. Ю., Шляпин Е. Ю., Антипина Л. А. Система формирования моделей проектно-технологической документации// Проблемы и перспективы развития двигателестроения в поволжском регионе (II): Тез. докл. междунар. научно-технической конференции.-Самара, 1999, — С. 101−103.

H.Антипина Л. А., Иванов В. Ю. Проектирование станочных приспособлений на основе интеграции модельных представлений конструкторско-технологической информации в проектирующей и экспертной системах// Автоматизация и информатизация в машиностроении (АИМ 2000): Сборник трудов первой международной электронной научно-технической конференции.- Тула: ТулГУ, 2000. С.82−83.

АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА.

I. Свидетельство РосАПО об официальной регистрации программы для ЭВМ N.

950 096 от 16.03.1995, заявка N 950 006." Комплекс автоматизированного расчета технологических размеров и допусков отклонений расположения (APROPOS 6.0)" .Правообладатель: УГАТУ. Авторы: Иванов В. Ю., Рахимов Э. Г., Рахманкулов Г. М., Антипина Л.А.

2. Свидетельство РосАПО об официальной регистрации программы для ЭВМ N.

950 097 от 16.03.95, заявка N 950 007 «Автоматизированная среда подготовки технологии механообработки (СПТ ГрафиТ ТМ 2.06)». Правообладатель: УГАТУ. Авторы: Иванов В. Ю., Рахимов Э. Г., Рахманкулов Г. М., Антипина Л.А.

Структура и объем работы.

Работа включает введение, четыре главы, заключение, список использованных источников из 154 наименований и 4 приложения. В основной части диссертации 159 страниц текста, 36 рисунков, 11 таблиц. Приложения содержат проект стандарта на условные обозначения размерных параметров, пример проектирования ТП и приспособления системы НСП в Solid Edge v.7 с использованием APROPOS и процедур Е-SE-SP, список основных команд ГрафиТ ТМ, модели САПР кондукторов для обработки деталей типа плит.

Основные результаты и выводы.

1. В результате исследований установлено, что повышение эффективности автоматизированного проектирования СП достижимо путем предложенного метода автоматизированного проектирования СП, основанного на:

1) интегрированных моделях из элементов ТС и СП с точками вызова комплексов расчетных, экспертных и компоновочных проектных процедур;

2) моделях межоперационных состояний объекта производства по его твердотельной модели в СAD/CAM/CAE-системе, позволяющих генерировать электронные технические • задания на проектирование СП и уточнять схемы установки на основе технологических размерных расчетов;

3) генерации в CAD/CAM/CAE-системе на основе интегрированных моделей этапов проектирования СП компоновочных параметрических твердотельных моделей конструкций, позволяющих вносить изменения с обеспечением ассоциативных параметрических связей на всех этапах проектирования СП, включая оформление чертежей;

4) реализации на основе баз данных интегрированных моделей этапов проектирования СП на платформе универсальной CAD/CAM/CAE-системы твердотельного параметрического моделирования концепции порождения САПР типовых конструкций СП.

2. Разработан метод автоматизированного проектирования СП в CAD/CAM/CAE-системе, основанный на интегрированных моделях элементов технологической системы, из которых на основе моделирования межоперационного состояния объекта производства формируется электронное техническое задание и концептуальная модель, уточняемая в процессе проектирования путем реализации комплексов экспертных, расчетных и компоновочных проектных процедур.

3. Разработаны автоматизированные проектные процедуры и математические модели расчета точности геометрических параметров межоперационного состояния объекта производства в составе программных комплексов APROPOS и ГрафиТ ТМ, внедренных на УАП «Гидравлика», Запорожском объединении «Мотор cin» и АО «Рыбинские моторы» .

4. Разработаны интегрированные модели элементов ТС, ФЭК СП, модели проектных процедур, обеспечивающие порождение САПР типовых СП на базе параметрических CAD/CAM/CAE — систем, на основе которых реализованы БД интегрированных моделей установочных и направляющих деталей СП и опытный вариант САПР кондукторов для обработки деталей типа плит в составе программного комплекса E-SE-SP, интегрированные с Solid Edge v.7.

5. Разработан оригинальный способ накопления и преобразования конструкторско-технологической информации о СП для использования при проектировании в CAD/CAM/CAE на основе предложенных методик разработки компонентов интегрированной модели СП этапов проектирования: БД, баз знаний и компоновочных моделей.

6. Предложена методика разработки процедур автоматизированных проектных расчетов в процессе проектирования, по которой реализованы в составе программного комплекса E-SE-SP проектные процедуры определения исполнительных и координирующих размеров установочных и направляющих элементов, усилий зажима в СП, обеспечивающие заданную точность геометрических параметров объекта производства.

7. Предложены модели проектных процедур, обеспечивающие порождение САПР типовых СП на базе параметрических CAD/CAM/CAE — систем.

8. Реализована и внедрена база данных интегрированных моделей установочных и направляющих деталей СП на базе стандарта ФГУП КумАПП в составе программного комплекса E-SE-SP, интегрированная в Solid Edge v.7.

Эффективность предложенного метода проектирования СП подтверждается разработкой опытного варианта САПР кондукторов для обработки деталей типа плит на базе БД КТТМ стандартных деталей в CAD-системе Solid Edge v.7, трудоемкость которого составила около 40 нормочасов (разработка интегрированных моделей нестандартных деталей, конструкций типовых сборок и расчет винтового механизма) при стаже работы в Solid Edge 0,5−1 год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследований решена важная научно-практическая задачаавтоматизация проектирования станочных приспособлений на основе взаимосвязи новейших информационных технологий и достижений в области проектирования и конструирования СП, актуальность которой возрастает в условиях промышленного подъема, перехода к компьютерно-интегрированному производству и ГАП: