СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (САПР ТП) Канд. техн. наук, доцент кафедры «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» (ТАДиОМ) Волков Сергей Александрович
Рекомендуемая литература 1. С. А. Волков, М. В. Тимофеев. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов в машиностроении. Учебное пособие. Рыбинск: РГАТА, 2009. – 228 с. 2. С. А. Волков. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов. Учебное пособие. Рыбинск: РГАТА имени П.А. Соловьева, 2005. – 113 с. 3. САПР технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов: Учеб. пособие для вузов / В. И. Аверченков, И. А. Каштальян, А. П. Пархутик. – Мн.: Высш. шк., 1993. – 288 с. 4. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов. Учебник для вузов по спец. «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты» / С. Н. Корчак, А. А. Кошин, А. Г. Ракович, Б. И. Синицын; под общ ред. С. Н.Корчака. - М.: Машиностроение, 1988. - 352 с.
ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ Цель проектирования (условия, требования к будущему объекту) Средства проектирования (варьируемые факторы) Описание искомого объекта (информационная модель объекта)
системного единства совместимости типизации развития Признаки современных САПР Объектно – ориентированное взаимодействие человека и ЭВМ Сквозная информационная поддержка на всех этапах обработки информации на основе интегрированной базы данных Безбумажный процесс обработки информации Интерактивный режим решения задач, выполняемый в режиме диалога пользователя и ЭВМ
техническое математическое программное информационное лингвистическое методическое организационное
Подсистемы САПР Проектирующие (функциональные) Обслуживающие объектно-ориентированные (объектные) объектно-независимые (инвариантные)
предпроектные исследования техническое задание (ТЗ) техническое предложение эскизное проектирование техническое проектирование рабочее проектирование ввод в действие
тип объекта проектирования разновидность объекта проектирования сложность объекта проектирования уровень автоматизации проектирования комплексность автоматизации проектирования характер выпускаемых проектных документов число выпускаемых проектных документов число уровней в структуре технического обеспечения САПР
Банк данных технологического назначения САПР ТПП Подсистема технико-экономических расчетов Подсистемы технологического проектирования Подсистема формирования и кодирования исходных данных Подсистема конструирования средств технологического оснащения Технология заготовительных процессов Технология механической обработки Технология сборки Технология химических и термических методов обработки Технология литейного производства Технология сварки и резки металлов Технология кузнечно-штамповочного производства …
Технологический процесс Операция 2 Операция n Операция 1 … Переход 21 Переход 22 Переход 2 m …
1 4 3 2 5 6 8 11 7 9 12 10 10 12 9 1 3 6 5 4 2 7 8 11
Техническое задание Этап 1 Этап 2 Этап 3 Техническое задание Этап 1 Этап 2 Этап 3 ? Нет Да Техническое задание Этап 1 Этап 2а Этап 2б Этап 2в Этап 3 Линейная Циклическая Разветвленная
Адаптивная Случайного поиска Техническое задание Решить, что делать на этапе 1 Этап 1 Решить, что делать на этапе 2 Этап 2 Результаты этапа 1 Результаты этапа 2 Выбрать наугад точку в поле поиска Определить решение в этой точке, если оно существует Техническое задание
Принятая стратегия Принятый взгляд на задачу Управление стратегией Новая стратегия или сохранение принятой ранее стратегии Полученные результаты Критерии
Множество типовых решений: МТР = {3У12В, 3У131М, 3М163В} l L D h H 1 2 3 1, 2 3, 4 5 6 КПП = { D, L, l, h } Комплекс условий применимости Комплекс параметров применимости 1 – шлифовальный круг, 2 – планшайба, 3 – обрабатываемая деталь
Модель станка Параметры станков, мм D L l h 3У12В 200 500 40 50 3У131М 280 700 50 75 3М163В 280 1400 200 75 Массив условия применимости Исходные данные (параметры детали)
D д, L д, l д, h д D 200 ? l 40 ? L 500 ? h 50 ? 3 У12В Да Да Да Да D 2 8 0 ? Нет Нет Нет Нет l 5 0 ? L 7 00 ? h 75? 3 У131М Да Да Да Да Нет Нет Нет l 20 0 ? L 14 00 ? h 75? 3 М163В Да Да Да Нет Нет Нет Нет Нет решения
Локальные Полные
Методы автоматизированного проектирования технологических процессов 1. Метод случайных аналогий Метод случайных аналогий основан на использовании готовых решений на всех уровнях проектирования за счет заимствования существующих единичных технологических процессов. Деталь Деталь-аналог Техпроцесс на деталь-аналог Техпроцесс на деталь
1.1. Метод полного заимствования ТП-аналога Начало Выбор правил формирования и формирование поискового предписания Поиск множества изделий D a, имеющих идентичный ТП, в базе данных об изделиях Поиск множества ТП-аналогов конкретной операции T a в базе данных о техпроцессах Оценка вариантов и выбор оптимального техпроцесса изготовления изделия d Стоп
1.2. Метод заимствования ТП-аналога с параметрической настройкой Начало Выбор правил формирования и формирование поискового предписания Поиск множества изделий D a, имеющих идентичный ТП, в базе данных об изделиях Поиск множества ТП-аналогов конкретной операции T a в базе данных о техпроцессах Параметрическая настройка ТП Стоп Оценка вариантов и выбор оптимального техпроцесса изготовления изделия d
1.3. Метод заимствования ТП-аналога с изменением структуры Начало Адресация изделия d к классам (типу, группе) с использованием алгоритмов адресации Поиск множества ТП-аналогов конкретной операции T a в базе данных о техпроцессах Оценка вариантов и выбор эффективных ТП-аналогов Корректировка структур ТП-аналогов по характеристикам изделия d Стоп Оценка вариантов и выбор эффективных структур ТП для изготовления изделия d Параметрическая настройка ТП по свойствам изделия d Оценка вариантов и выбор оптимального техпроцесса изготовления изделия d
2. Метод анализа Деталь Унифицированный техпроцесс Рабочий техпроцесс 3. Метод синтеза Метод синтеза основан на синтезе технологических маршрутов и операций. Типизация решений в данном случае выполняется, как правило, на уровне перехода. При этом для каждой поверхности детали производят разделение на промежуточные состояния и выбирают методы их обработки. Разработка технологического маршрута обработки производится не основе анализа размерных связей элементов детали и синтеза схем базирования. Разработка операционной технологии основана на анализе структурных связей в заготовке и детали и синтезе структуры операции.
Информационное обеспечение САПР ТП 1. Справочные таблицы … … … … … P 1 … P i … P n X 11 … X i 1 … X n 1 … … … … … X 1 j … X ij … X nj X 1 m … X im … X nm П 1 … П j П m … { П j } – комплекс параметров применяемости { Р i }– множество типовых решений Х ij – характеристика типовых решений
Информационное обеспечение САПР ТП 2. Таблицы решений { П j } – комплекс параметров применяемости { Р i }– множество типовых решений Х ij – характеристические значения параметров применяемости 2.1. Односторонние таблицы решений 2.1. Односторонние таблицы решений Р 1 … Р j Р m … П 1 … П i … П n X 11 … X i 1 … X n 1 … … … … … X 1 j … X ij … X nj X 1 m … X im … X nm … … … … … П 1 … П i … П n
2.1. Двусторонние таблицы решений … … … … … x 11 … x i 1 … x n 1 … … … … … x 1 k … x ik … x nk x 1 s … x is … x ns П 1 … П k П s … П 1 … П q … П l … … … … … p 11 … p i 1 … p n 1 … … … … … p 1 j … p ij … p nj p 1 m … p im … p nm … … … … … x 11 … x q 1 … x l 1 … … … … … x 1 j … x qj … x lj x 1 m … x qm … x lm и – первая и вторая части комплекса параметров применяемости и – характеристические значения параметров применяемости p ij - решение
Информационное обеспечение САПР ТП 3. Таблицы соответствий
Информационное обеспечение САПР ТП 4. Логические таблицы соответствий
Информационное обеспечение САПР ТП Классификация информации Информация, используемая в САПР ТП Исходная Производная Переменная Условно-постоянная
Программное обеспечение (ПО) САПР ТП Программное обеспечение Общесистемное Специальное ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ (ПО) САПР ТП – совокупность машинных программ, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования и представленных в заданной форме.
Требования, предъявляемые к ПО САПР ТП Эффективность по быстродействию и затратам памяти (экономичность) Удобство пользования Степень универсальности Правильность и надежность Открытость (адаптируемость) Сопровождаемость Мобильность (переносимость)
Лингвистическое обеспечение САПР ТП Классификация языков Языки, образующие лингвистическое обеспечение Программирования Проектирования Входные Внутренние Управления Выходные
Лингвистическое обеспечение САПР ТП Преобразование информации в САПР Чертеж Пользова-тель Информацион-ная модель САПР Результат Входной язык Внутренний язык Выходной язык Подготовка информации Декодирование, обработка, оформление
Лингвистическое обеспечение САПР ТП Схема конструкторско-технологического кода деталей
Лингвистическое обеспечение САПР ТП Таблицы кодированных сведений 1) общие сведения о детали 2) сведения о заготовке 3) сведения об основных поверхностях детали 4) сведения об особенностях на основных поверхностях Проблемно-ориентированные языки общая характеристика детали и заготовки геометрические и точностные характеристики технические требования
Математическое обеспечение (МО) САПР ТП Требования, предъявляемые к МО САПР ТП Математическое обеспечение — совокупность математических методов, математических моделей и алгоритмов проектирования, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования Универсальность Алгоритмическая надежность Точность Затраты машинного времени Используемая память
Математические модели, используемые в САПР ТП Структурно-логические (структурные) Функциональные Табличные Сетевые Перестановочные
Деталь d 1 Деталь d 2 Деталь d 3
1 2 3 4 5 6 7 8 d 1 1 2 3 4 5 8 d 2 1 2 5 8 d 3 τ 1, τ 2, …, τ 8 - операторы (технологические переходы): 1 – подрезка торца, 2, 3, 4 – точение наружной цилиндрической поверхности, 5 – сверление, 6 – зенкерование, 7 – зенкование, 8 – отрезка
i F j F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 F 6 F 7 F 8 1 1 0 0 0 0 0 0 0 2 0 1 0 0 0 0 0 0 3 0 0 1 0 0 0 0 0 4 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 0 0 0 6 0 0 0 0 0 1 0 0 7 0 0 0 0 0 0 1 0 8 0 0 0 0 0 0 0 1
i 1 1 1 1 2 1 1 1 3 1 1 0 4 1 1 0 5 1 1 1 6 1 0 0 7 1 0 0 8 1 1 1
1 – заготовительная, 2 – протяжная (протягивание базового отверстия), 3 – черновая токарная (черновое точение контура колеса зубчатого), 4 – чистовая токарная (чистовое точение контура колеса зубчатого), 5 – зубофрезерная черновая (черновая нарезка зубьев), 6 – зубофрезерная чистовая (чистовая нарезка зубьев), 7 – термическая (объемная закалка), 8 – внутришлифовальная (шлифование базового отверстия), 9 – зубошлифовальная (шлифование зубьев), 9 – зубошевинговальная (шевингование зубьев), 10 – притирочная (притирка зубьев), 11 – моечная (мойка детали), 12 – контрольная (контроль технических требований детали)
i F j F 1 F 2 F 3 1 1 1 0 2 1 0 0 3 0 1 0 4 0 1 0 5 0 0 1 6 0 0 1 7 1 1 1 8 1 0 0 9 0 0 1 10 0 0 1 11 1 1 1 12 1 1 1
P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 P 1, P 2,…, P 8 – цеха: P 1 – литейный P 2 – кузнечный P 3 – механический P 4 – термический P 5 – механосборочный P 6 – общей сборки P 7 – испытательный P 8 – упаковочный
Математическое обеспечение САПР ТП Методы определения припусков 1. Аналитический (дифференциально-аналитический) Rz i - 1 — высота шероховатости неровностей профиля, мкм; T i- 1 – глубина дефектного слоя на предшествующей операции (переходе), мкм; i - 1 – векторная сумма пространственных отклонений взаимосвязанных поверхностей обрабатываемой заготовки, полученных на предшествующей операции, мкм; i – векторная сумма погрешностей базирования и закрепления, мкм; k – коэффициент, учитывающий характер припуска (для односторонних припусков k = l, для симметричного: k = 2)
Математическое обеспечение САПР ТП Методы определения припусков Алгоритм расчета припусков и операционных размеров с использованием дифференциально-аналитического метода 1. Ввод исходной информации. 2. Выбор или назначение технологического маршрута обработки i -ой элементарной поверхности. 3. Определение составляющих Rz i - 1, T i- 1, i - 1, i. 4. Расчет минимального припуска Z min для i - ой операции. 5. Определение допусков для соответствующих квалитетов, их верхних и нижних отклонений i - ой поверхности для каждой i - ой операции. 6. Расчет максимальных, общих и номинальных припусков на все операции технологического процесса обработки i - ой поверхности. 7. Расчет минимальных и максимальных размеров обрабатываемых поверхностей по всем операциям обработки i - ой поверхности.
Математическое обеспечение САПР ТП Методы определения припусков 2. Нормативный (опытно-статистический) 3. Интегрально-аналитический токарная получистовая операция Z min = 1,52 D 0,1 – 1,13 ; токарная чистовая Z min = 0,013 D 0,5 + 0,000745 L + 0,2 ; полировальная: Z min = 0.
Алгоритм расчета минимальных операционных припусков и размеров i > 1 ? Вывод результатов Конец i : = i - 1 Определение D min для i -ой операции: Ввод данных Определение D min для последней ( k -ой) операции: 3 i : = k 4 Определение минимального припуска для ( i -ой) операции 5 Расчет величины допуска δ i 6 Определение D max для i -ой операции: 7 8 9 10 11 12 Нет Да Начало 1 2
Математическое обеспечение САПР ТП Алгоритм выбора схемы установки детали 1) j к — жесткость детали, достаточная для консольной обработки: D 35 мм; L / d ср 5; D = 35 … 65 мм; L / d ср 3,3; D > 65 мм; L / d ср 2,2, где D – наибольший диаметр, d ср – приведенный средний диаметр; L – длина. 2) j ц — жесткость детали, которая требует двухопорной установки: D 35 мм; L / d ср 10; D > 35 мм; L / d ср < 15; 3) j л — жесткость детали, которая требует при обработке введения дополнительных опор, например в виде люнетов: L / d ср = 15 … 25.
Математическое обеспечение САПР ТП Таблица выбора схемы установки детали для токарных операций
Математическое обеспечение САПР ТП Автоматизация проектирования переходов 1) выбор допустимых способов выполнения перехода; 2) определение типоразмеров режущего, инструмента; 3) определение типоразмеров вспомогательных инструментов; 4) определение типоразмеров измерительных инструментов; 5) определение допустимых вариантов структуры перехода; 6) расчет режимов резания и определение основного времени для каждого варианта; 7) определение времени выполнения вспомогательных приемов для каждого варианта структуры перехода; 8) выбор структуры перехода и элементов СПИД; 9) формирование описаний перехода для записи в технологическую карту.
Методическое обеспечение (МО) САПР ТП Основные виды документов, входящих в состав МО САПР ТП 1. Ведомость эксплуатационных документов. 2. Комплект эксплуатационных документов методического обеспечения: а) общее описание САПР; б) инструкция по эксплуатации комплекса средств автоматизированного проектирования. 3. Комплект эксплуатационных документов технического обеспечения: эксплуатационные и конструкторские документы. 4. Комплект эксплуатационных документов программного обеспечения: а) общее описание; б) руководство системного программиста; в) руководство программиста; г) описание языка; д) руководство по техническому обслуживанию; е) формуляр.
Организационное обеспечение САПР ТП Уровни Организационное обеспечение САПР ТП Международный Республиканский Государственный Объединения Предприятия Структурного подразделения Аспекты Административный Материального обеспечения Правовой Кадровый
По назначению. По области применения По степени автоматизации По ориентации на использование определенного типа ЭВМ По способу задания входной информации По режиму автоматизированной разработки УП Системы автоматизированного программирования (САП) Классификация САП
Системы автоматизированного программирования (САП) Монитор Язык управления заданиями Библиотека препроцессоров Входной язык препроцессора Библиотека процессоров Входной язык процессора База данных Данные на языке CLDATA Системная сервис-библиотека Библиотека постпроцессоров
Уровень автоматизации Адаптируемость Надежность Оперативность Системы автоматизированного программирования (САП) Показатели уровня САП
САПР РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ (САПР РИ) Формирование множества кинематических схем резания Выбор оптимальной схемы резания Формирование множества схем конструкций их конструктивных элементов Выбор оптимальной схемы конструкции Формирование множества конструкторских решений отдельных частей и элементов конструкции Режущая часть Крепежно-присоедини - тельная часть Корпусная часть Механизм крепления Механизм регулиро - вания Формирование возможных сочетаний основных частей и элементов конструкции Выбор оптимальной конструкции инструмента Расчет геометрических параметров инструмента Подготовка информации для вычерчивания инструмента
САПР приспособлений Описание обрабатываемой детали и операции Синтез конструкций Составление спецификаций Формирование чертежей Технологическое проектирование Подготовка программ для станков с ЧПУ Директивы конструктора Программный комплекс для ЭВМ База данных Библиотека програм-мных модулей Спецификация конструкции Маршрутные карты Ведомость покупных изделий … Сборочный чертеж приспособления Рабочие чертежи деталей Файл для АСУП УП для станка с ЧПУ
Оптимизация технологических процессов Схема алгоритма процесса проектирования Начало Определение цели проектирования Выбор варианта решения задачи Построение математической модели Исследование модели (оптимизация) Анализ результатов Цель достигнута? Конец Нет Да Синтез Анализ Принятие решения
Оптимизация технологических процессов Методы оптимизации Аналитические Рекурсивные Итерационные Стохастические Линейного программирования Нелинейного программирования
Постановка задачи оптимизации технологических процессов 1. Критерий (критерии) оптимальности ТП. 2. Целевая функция. 3. Система ограничений. 4. Четко определенные входные, выходные и внутренние параметры. 5. Управляемый (варьируемый) параметр или управляемые (варьируемые) параметры, которые выделяются из числа внутренних параметров.
Оптимизация технологических процессов Выбор критериев оптимальности Экономические Технико-экономические Технологические Эксплуатационные Прочие
Оптимизация технологических процессов Выбор технических ограничений ТП v 1 v 2 v p … y 1 y 2 y m … x 1 x 2 x n … Технологические параметры Входные и возмущающие параметры Выходные параметры
Оптимизация технологических процессов Виды оптимизации технологических процессов Структурная оптимизация … … Выбор вида заготовки Выбор планов обработки Выбор схем базирования Множество вариантов ТП
Оптимизация технологических процессов Структурная оптимизация технологических процессов А) отбор рациональных вариантов проектных решений на каждом уровне проектирования Рациональные варианты
Структурная оптимизация технологических процессов Б) предпроектная оптимизация Типовые решения Параметр применяемости x 1 Характеристические значения параметра применяемости Решения Себестоимость х 11 х 12 х 13 х 14 х 15 у 1 20 0 0 1 1 0 у 2 40 1 0 0 0 0 у 3 20 0 0 1 1 0 у 4 40 0 1 1 1 1 у 5 60 0 0 1 1 0 у 6 30 1 0 0 0 0 у 7 40 0 0 0 1 1 у 8 50 0 1 1 0 0
Структурная оптимизация технологических процессов Б) предпроектная оптимизация х 11 х 12 х 13 х 14 х 15 х 1 10 20 30 40 50 60 С у 6 у 2 у 4 у 8 у 1, у 3 у 4 у 5 у 8 у 1, у 3 у 4, у 7 у 5 у 4, у 7 Линия наименьшей себестоимости
Структурная оптимизация технологических процессов В) оценочные матрицы Типовые решения Параметр применяемости x 1 Характеристические значения параметра применяемости х 11 х 12 х 13 х 14 х 15 у 1 0 0 20 20 0 у 2 40 0 0 0 0 у 3 0 0 20 20 0 у 4 0 40 40 40 40 у 5 0 0 60 60 0 у 6 30 0 0 0 0 у 7 0 0 0 40 40 у 8 0 50 50 0 0
Понятие о жизненном цикле изделия (ЖЦИ) Потребитель (заказчик) Изготовитель (поставщик) Маркетинг Разработка конструкции изделия Материально-техническое обеспечение ТПП Производство Контроль и испытания Упаковка и хранение Реализация Утилизация после использования Техническая помощь в обслуживании Монтаж и эксплуатация Структура ЖЦИ машиностроения
CALS- технологии Построение единой интегрированной модели изделия Геометрическая модель. Тип 1 Другие типы геометрических моделей Чертеж изделия Технологический процесс изготовления План выпуска изделия Другие типы моделей Физические свойства Экономические параметры Общая модель
Системы автоматизации, использующиеся на различных этапах ЖЦИ САЕ — Computer Aided Engineering (автоматизированные расчеты и анализ) CAD — Computer Aided Design (автоматизированное проектирование изделий) САМ — Computer Aided Manufacturing (автоматизированная технологическая подготовка производства) САРР — Computer Aided Process Planning (автоматизированное проектирование технологических процессов) СААР — Computer Aided Assembly Planning (автоматизированное проектирование процессов сборки) PDM — Product Data Management (управление проектными данными о продукте (изделии)) PLM — Product Life Cycle Management (управление жизненным циклом изделия) ERP — Enterprise Resource Planning (планирование и управление предприятием) MRP-2 — Manufacturing (Material) Requirement Planning ( планирование производства )
Системы автоматизации, использующиеся на различных этапах ЖЦИ MES — Manufacturing Execution System (производственная исполнительная система) SCM — Supply Chain Management (управление цепочками поставок) SCADA — Supervisory Control And Data Acquisition (диспетчерское управление производственными процессами) CNC — Computer Numerical Control (компьютерное числовое управление) CRM — Customer Relationship Management (управление взаимоотношениями с заказчиками) S & SM — Sales and Service Management (управление продажами и обслуживанием) СРС — Collaborative Product Commerce (совместный электронный бизнес)
Загрузка оборудования Заказы Оборудование с ЧПУ Управление ячейкой Поток материалов ERP, MRP-2 CAD CAPP CAM Заказы на конструирование УП ЧПУ Данные качества Данные качества MES, SCADA УП ЧПУ База данных Графика ТП УП ЧПУ Уровень проектирования Уровень управления Уровень планирования
КОМПАС-Автопроект (разработчик – компания «Аскон», г. Санкт-Петербург) 2. T-FLEX (разработчик – ЗАО «Топ Систем», г. Москва). 3.TechnologiCS (разработчик – компания CSoft Development (в прошлом – Consistent Software), г. Москва) 4. ТехноПро (разработчик – корпорация «Вектор-Альянс», г. Москва) 5. Т echCard (разработчик – НПП «Интермех», г. Минск)
