Федеральное агентство по образованию
Бийский технологический институт (филиал)
государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет
имени »
САПР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Конспект лекций для студентов специальности
151001 «Технология машиностроения»
всех форм обучения
Бийск
Издательство Алтайского государственного технического
университета имени
2007
УДК 621.9
Рецензент: доцент кафедры ППО БГПУ, кандидат технических наук
Работа подготовлена на кафедре металлорежущих станков
и инструмента
Смирнов, В. В.
САПР технологических процессов: конспект лекций / ; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. – 93 с.
Приведены общие положения инженерного машиностроительно-го проектирования и вопросы его автоматизации. Современные методы и средства технологического проектирования рассматриваются с точки зрения системного подхода и организации автоматизированного рабочего места технолога-машиностроителя в среде компьютерно-интегрированного производства.
Предназначено для студентов специальности 151001 «Технология машиностроения» всех форм обучения.
УДК 621.9
ã , 2007
|
СОДЕРЖАНИЕ
1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 5
1.1 Что такое проектирование? 5
1.2 Системный подход к проектированию 6
1.3 Структура процесса проектирования? 9
1.4 Проектирование в технологической подготовке
машиностроительного производства 11
1.5 Формы организации технологической подготовки
производства 13
1.6 Единая система технологической подготовки производства 14
1.7 Классификация и кодирование деталей 16
1.8 Вопросы для самоконтроля 18
2 АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 21
2.1 Проектирование с участием ЭВМ 21
2.2 История автоматизации машиностроительного
проектирования 22
2.3 Система автоматизированного проектирования 25
2.4 Аппаратные и программные средства САПР 28
2.5 Системы геометрического моделирования 30
2.6 Компьютерный инженерный анализ в машиностроении 36
2.7 Проектирование технологии для оборудования с ЧПУ 39
2.8 Технологии быстрого прототипирования 44
2.9 Вопросы для самопроверки 50
3 АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 53
3.1 Уровни автоматизации технологического проектирования 53
3.2 Основные методы проектирования технологических
процессов. 56
3.3 Разработка информационной модели технологического
процесса. 59
3.4 Автоматизированное проектирование технологической
операции. 64
3.5 Задача проектирования технологического перехода 66
3.6 Параметры проектирования технологического перехода 69
3.7 Формирование содержания перехода 71
3.8 Структура САПР ТП сборки 75
3.9 Вопросы для самопроверки 76
4 САПР В КОМПЬЮТЕРНО-ИНТЕГРИРОВАННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ 81
4.1 Понятие жизненного цикла продукции 81
4.2 Компьютерное сопровождение и поддержка жизненного
цикла изделий 83
4.3 Новые методологии проектирования в системах
информационной поддержки жизненного цикла изделий 88
4.4 Вопросы для самопроверки 90
Литература. 91
1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.1 Что такое проектирование?
Проектирование, с одной стороны, является сложным творческим процессом, а с другой стороны – основывается на научных знаниях, использовании практического опыта и навыков в определенной сфере целенаправленной деятельности человека.
Известны несколько определений понятия «проектирование» [1]. Согласно ГОСТ , проектирование технического объекта – это создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта. При этом образ объекта может создаваться в воображении человека или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ.
Инженерное проектирование направлено на создание новых технических систем:
· изделий –– технических систем, получаемых в результате изготовления;
· устройств –– технических систем, готовых совершить полезный эффект;
· процессов –– функционирующих технических систем.
Инженерное проектирование включает в себя разработку технического задания (ТЗ) и его реализацию в виде проектной документации.
В техническом задании на проектирование указывают, по крайней мере, следующие данные:
1) назначение объекта проектирования;
2) условия его эксплуатации (для изделия или устройства) или реализации (для технологического процесса);
3) требования к выходным параметрам (например, условия работоспособности машины, технические характеристики изготавли-ваемой детали и т. п.).
Проектирование по содержанию представляет собой процесс переработки определенного объема различной информации. Входами такого процесса являются:
1) замысел (цель) проектирования, выраженный в виде определенной совокупности условий и требований, которым должен удовлетворять искомый объект;
2) средства, т. е. факторы, которыми можно варьировать при проектировании.
Выход процесса –– информационная модель, содержащая необ-ходимые и достаточные сведения для материально-вещественного воплощения идеи проектирования в конкретный физический объект.
1.2 Системный подход к проектированию
Современная методология проектирования базируется на системном подходе, основной общий принцип которого заключается в рассмотрении объекта, процесса или явления как сложной системы [2]. В этой связи напомним, что системой называют совокупность взаимосвязанных элементов, выделенных из среды и взаимо-действующих с окружающей средой как единое целое для достижения поставленной цели. Отсюда наиболее общими характеристиками объекта проектирования как сложной системы являются:
· целенаправленность;
· целостность;
· иерархичность.
Системный подход представляет собой обобщение различных методик проектирования и направлен на решение следующих задач:
· выявление структуры объекта;
· описание и типизацию связей между элементами структуры;
· определение атрибутов объекта как сложной системы;
· определение функций объекта;
· анализ влияния на объект внешней среды.
Часто оказывается, что системный объект обладает новыми свойствами и функциями, которых нет у составляющих его элементов. Так, например, машина, состоящая из отдельных деталей, обладает свойствами, которых нет у каждой детали в отдельности. Такое появление у системы новых качеств называют эмерджентностью (от англ. emergent –– внезапно возникающий). Считается, что чем больше свойства системы отличаются от свойств ее элементов, тем выше организованность системы; а чем сильнее степень согласованности поведения элементов системы, тем у нее больше возможностей выбора моделей поведения. Высшая степень проявления согласованности поведения элементов системы –– самоорганизация системы, изучением которой занимается синергетика.
В качестве примера сложной системы рассмотрим техноло-гический процесс изготовления детали.
Со стороны структуры технологический процесс представляет собой совокупность взаимосвязанных этапов, операций и переходов.
Функция технологического процесса заключается в преобразовании исходного материала (полуфабриката) в готовое изделие. Исходное состояние (С0) объекта производства задается множеством параметров, характеризующих форму и размеры заготовки, марку материала и его физические свойства. Конечное состояние (Ск) определяет заданные конструктором форму детали, размеры и точность, физические свойства отдельных поверхностей. Таким образом, математически функцию технологического процесса можно представить в виде отображения соответствующих множеств: С0 → Ск. Кроме того, функция технологического процесса может быть расчленена на функции отдельных операций.
Технологический процесс можно рассматривать как часть производственного процесса, связанную с качественным изменением состояния объектов производства. Отсюда взаимодействие с внешней средой проявляется в связях технологического процесса, посредством которых он воспринимает воздействия других подсистем производства и управления и сам воздействует на них.
Основные модели, служащие для описания сложных систем, рассмотрены в курсе математического моделирования [3].
Разновидностями системного подхода являются:
1) структурный подход, при котором варианты системы синтезируются из компонентов. Преимущества того или иного варианта перед другими оцениваются путем частичного перебора структуры;
2) блочно-иерархический подход, при котором используются идеи декомпозиции сложных описаний объектов на иерархические уровни, вводится понятие восходящего и нисходящего проектирования, устанавливается связь между параметрами соседних иерархических уровней;
3) объектно-ориентированный подход, который заключается в применении при проектировании трех принципов: наследование, инкапсуляция и полиморфизм. Наследованием называется способность объекта сохранять атрибуты класса-родителя. Инкапсуляция – это механизм, благодаря которому внутренняя сложность объекта изолируется от наблюдателя из внешнего мира. Полиморфизм – это способность объекта видоизменяться (принимать различные формы).
Для всех указанных разновидностей системного подхода характерны следующие особенности:
1) структуризация процесса проектирования;
2) типизация и унификация проектных решений;
3) итерационный[1] характер процесса проектирования.
Основные положения системного подхода излагаются в обобщенной дисциплине, которая называется «Системный анализ» или «Теория систем», аналогичная прикладная дисциплина называется «Системотехника».
Предметом системотехники являются:
1) организация процесса создания, использования и развития технических систем;
2) методы и принципы проектирования и исследования систем.
Составными частями системотехники являются:
1) организация и иерархическое структурирование процесса проектирования систем;
2) анализ и моделирование систем;
3) синтез и оптимизация систем.
Цель анализа –– получение информации о характере функци-онирования и значениях выходных параметров при заданных структуре объекта проектирования и сведениях о его внутренних и внешних параметрах. Анализ объекта проектирования – это его исследование, изучение свойств, проверка условий работоспособности. При анализе новые варианты проекта не создаются.
Различают следующие виды анализа:
· одновариантный,
· многовариантный,
· статистический,
· анализ чувствительности к изменениям параметров.
Основной операцией при анализе является разделение целого на части –– декомпозиция. В результате декомпозиции исходная система разделяется на подсистемы, задача – на подзадачи и т. д. Обратная операция, объединение нескольких элементов в единое целое (агрегат), называется агрегированием (агрегатированием).
Синтез бывает двух видов:
1) структурный синтез,
2) параметрический синтез.
Задача структурного синтеза –– определение множества возможных проектных решений.
Задача параметрического синтеза –– выбор или расчет значений отдельных параметров проекта.
Разница между близкими по содержанию понятиями «синтез» и «проектирование» заключается в следующем: проектирование предполагает весь процесс разработки проекта, а синтез – создание его варианта, необязательно окончательного. Синтез как задача может выполняться при проектировании многократно, сочетаясь при этом с решениями задач анализа.
Анализ и синтез часто рассматривают соответственно как прямую и обратную инженерную задачу. Анализ предназначен для ответа на вопрос: «Что будет, если…?» Синтез отвечает на вопрос: «Как поступить, чтобы…?»
1.3 Структура процесса проектирования?
Структурой обычно называют упорядоченное множество каких-либо элементов и отношений между ними. Структуру процесса проектирования принято рассматривать с точки зрения уровней и стадий проектирования [2].
Уровни проектирования предполагают разбиение сложной задачи на параллельно и последовательно решаемые более простые задачи. Различают следующие уровни:
1) системный, на котором решаются наиболее общие задачи, а результаты обычно представляются в виде структурных схем, планов, диаграмм и т. п. (например, схема технологического процесса);
2) макроуровень, на котором проектируются отдельные узлы машин, отдельные операции технологического процесса. В результате разрабатывается, например, сборочный чертеж, технологический маршрут;
3) микроуровень, на котором проектируются отдельные элементы объекта, детали, технологические переходы.
Стадии проектирования характеризуют процесс проектирования как развивающийся во времени. Различают следующие стадии:
1) стадия научно-исследовательских разработок (НИР), также называемая предпроектными исследованиями или стадией техничес-кого предложения;
2) стадия опытно-конструкторских разработок (ОКР), также называемая стадией эскизного проекта;
3) стадия технического проекта;
4) стадия рабочего проекта;
5) стадия испытаний.
Стадии проектирования подразделяют на составные части, называемые проектными процедурами. В свою очередь, проектные процедуры делят на более мелкие элементы, называемые проектными операциями.
Типичный алгоритм проектной процедуры показан на рисунке 1. Он носит выраженный итерационный характер.
Рисунок 1 - Типичный алгоритм проектной процедуры
Рассмотрим содержание основных проектных операций, выполняемых при технологическом проектировании.
В формулировку технического задания включают:
· комплект чертежей на новое изделие;
· программу выпуска изделия;
· срок запуска изделия в производство;
· организационно-технические условия, предусматривающие различные способы получения заготовок и учитывающие возможности приобретения комплектующих изделий, а также оборудования и оснастки на других предприятиях.
Структуру технологического процесса представляет маршрутное описание технологии изготовления изделия, т. е. совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных этапов обработки.
Модель технологического процесса включает его полное пооперационное описание.
На стадии параметрического синтеза производится расчет режимов резания, трудоемкости и материалоемкости операций, других технико-экономических показателей.
На стадии анализа производится сопоставление результатов проектирования с требованиями технического задания, отладка и корректировка структуры технологического процесса, уточнение его параметров, принятие оптимальных решений.
В результате проектной деятельности технолога должен быть получен комплекс отлаженных технологических процессов изготовле-ния всех деталей, сборочных узлов и машин в целом, оснащенный технологической документацией и средствами технологического оснащения, необходимыми для обеспечения заданного объема выпуска изделий с установленными технико-экономическими показа-телями.
1.4 Проектирование в технологической подготовке машиностроительного производства
Этап технологической подготовки производства сам по себе достаточно насыщен различными проектными процедурами. Вместе с тем он тесно связан с этапом конструирования, так как входной информацией для технолога являются данные геометрической модели изделия.
Главной задачей инженера-технолога, решаемой в процессе проектирования, является преобразование описания деталей, изделий и устройств в технологические инструкции. Эти инструкции подробно описывают процессы, необходимые для превращения необработанных заготовок в готовые детали, а также последующие операции сборки этих деталей в конечный продукт. Таким образом, технологичес-
кое проектирование основано на сопоставлении конструкторских требований к изделию и имеющихся производственных мощностей. Можно сказать, что технологическая подготовка производства является интерфейсом между конструкторским проектом и собственно производством.
Типичная последовательность разработки планов производства новой продукции следующая:
1) изучение формы детали в целом. Определение структуры детали, выявление потенциальных трудностей, которые могут возникнуть при изготовлении (отработка на технологичность);
2) определение оптимальной формы заготовки, если она не задана в документации. Желательно подбирать заготовку, удовлетворяющую требованию минимальной себестоимости готового изделия;
3) определение базовых поверхностей и способов их получения;
4) определение технологических элементов формы детали. Форма элементов определяет форму инструментов и траекторию их перемещения при обработке заготовки;
5) группировка элементов формы по конфигурациям, обрабатываемым за один технологический установ;
6) упорядочение технологических переходов и операций;
7) выбор или проектирование инструментов для каждой операции;
8) выбор или проектирование средств технологического оснащения, в частности, обеспечивающих закрепление инструмента и заготовки на станке;
9) выбор или проектирование средств измерений, позволяющих осуществить контроль качества изготавливаемой продукции;
10) назначение технологических режимов и техническое нормирование. Возможно, подготовка программ для станков с ЧПУ;
11) подготовка технологической документации, отражающей план производства (маршрутных и операционных карт, карт технологических процессов, карт эскизов и др.) в соответствии с требованиями стандартов. Следует отметить, что современные стандарты, в том числе ЕСТД (единой системы технологической документации), учитывают требования, предъявляемые средствами вычислительной техники к документам при их проектировании и обработке информации. Формы документов имеют модульную, модульно-блочную, блочную и элементно-блочную структуру, легко реализуемую, в частности, в текстовом или табличном процессоре;
12) передача разработанного комплекта технологических документов в систему документооборота для рассылки соответствую-щим службам предприятия.
1.5 Формы организации технологической подготовки
производства
Различают две основные формы организации технологической подготовки производства (ТПП) [4], определяющие общий характер процесса технологического проектирования.
1.5.1 ТПП на базе единичных технологических процессов, под которыми подразумеваются техпроцессы, относящиеся к изделиям одного наименования, типоразмера и исполнения независимо от типа производства. Единичный техпроцесс разрабатывается применительно к каждой конкретной детали, подлежащей запуску в производство, и учитывает ее индивидуальные особенности. Этому принципу подчинено решение всех задач технологического проектирования: выбор вида заготовки и последовательности операций, назначение типов оборудования, проектирование технологической оснастки, инструмента и т. д. Перечисленные задачи решаются с учетом конфигурации конкретной детали и технических требований на нее.
Эта форма может быть реализована при любом типе производства. Однако в зависимости от типа производства, а также от сложности изделий и сроков, отведенных на ТПП, степень проработки задач технологического проектирования различна. Так, для единичного типа производства составляются, как правило, лишь маршрутные ведомости. В серийном производстве готовят либо маршрутные ведомости, либо операционные технологические процессы (ТП), степень проработки которых в зависимости от конкретных условий производства может отличаться. И только в массовом и крупносерий-ном производстве для всех деталей разрабатываются подробные технологические процессы. В последнем случае все работы ТПП выполняются в полном объеме.
1.5.2 ТПП на базе технологической унификации, в которой выделяют следующие основные направления:
- типизация технологических операций и процессов;
- групповой метод обработки.
Оба этих подхода представляют собой прогрессивные методы унификации технологических процессов, позволяющие перенести высокопроизводительные методы массового производства в условия серийного.
Идею типизации ТП впервые предложил . Созданная им методика базируется на классификации процессов, в основе которой лежит классификация деталей. В качестве классификационных признаков предложил принимать форму (конфигурацию) детали, ее размеры, точность и качество обрабатываемых поверхностей, материал детали. Классификация построена по схеме «класс – подкласс – группа – подгруппа – тип». Для обработки однотипных деталей и разрабатываются типовые ТП.
Групповой метод обработки, предложенный [5], представляет собой следующую фазу унификации и характеризуется в первую очередь общностью оборудования и технологической оснастки при выполнении отдельных операций или при полном изготовлении группы деталей. При этом групповой метод не требует полного сходства операций для всех деталей, объединяемых в группу. Детали из одной группы могут иметь отличия в конструкции, технологическом маршруте, составе и объеме работ по операциям, длительности переналадок и т. д. Характерной особенностью группового метода обработки является наличие групповых операций, которые проектируются таким образом, что на одном станке с одной наладкой (или минимальной переналадкой) можно производить обработку группы различных деталей.
Групповой метод находит применение во всех промышленно развитых странах мира. В английской литературе по машиностроению для обозначения групповой технологии введена специальная аббревиатура GT (group technology) [6, 7].
1.6 Единая система технологической подготовки производства
Совершенствование ТПП путем широкого применения методов технологической унификации привело к созданию в начале 1970-х годов единой системы технологической подготовки производства (ЕСТПП).
ЕСТПП – это комплекс установленных государственными стандартами правил и положений по организации и ведению технологической подготовки производства на основе широкого применения современных методов организации производства, унифицированных технологических процессов, средств вычислительной техники и стандартных средств технологического оснащения. Система позволяет решать следующие задачи:
а) обеспечение технологичности конструкции изделия;
б) разработку ТП (с учетом организационно-технологического анализа производства, расчета производственных мощностей, составления необходимых планировок оборудования, определения материальных и трудовых нормативов и др.);
в) проектирование средств технологического оснащения;
г) отладку и внедрение ТП и средств технологического оснащения;
д) организацию ТПП на базе типовой структурной схемы и типо-вых положений;
е) управление процессами ТПП с учетом того, что ТПП является функциональной подсистемой всей технической подготовки произ-водства, и управление ею должно обеспечивать взаимосвязь с другими функциональными подсистемами автоматизированной системы управ-ления производством.
ЕСТПП призвана обеспечить следующие организационно-эконо-мические мероприятия:
а) ТПП, соответствующую достижениям современной науки, техники и производства;
б) освоение производства и выпуска изделий наилучшего качества в минимальные сроки при минимальных трудовых и матери-альных затратах;
в) организацию производства, обеспечивающую возможность непрерывного его совершенствования и быструю переналадку на вы-пуск новых изделий;
г) рациональную организацию выполнения комплекса инженерно-технических и управленческих работ;
д) взаимосвязь ТПП с другими подсистемами автоматизиро-ванной системы управления производством (АСУП).
В ЕСТПП входят следующие классификационные группы стандартов:
· основные положения ЕСТПП (группа 0);
· правила организации и управления процессом ТПП (груп-па 1);
· правила обеспечения технологичности конструкций объектов производства (группа 2);
· правила разработки применения ТП и средств технологического оснащения (группа 3);
· правила применения технических средств механизации и автоматизации инженерно-технических работ (группа 4).
Принципы, заложенные в ЕСТПП (преемственность, комплек-сная стандартизация, системность и автоматизация), направлены на то, чтобы создать методическую, функциональную, информационную и организационную основы автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП). Таким образом, ЕСТПП является методологической основой создания АСТПП.
1.7 Классификация и кодирование деталей
Успешное решение задач унификации технологических процессов и автоматизации их проектирования в большой степени зависит от решения вопросов классификации объектов производства и в первую очередь деталей. Задачей классификации является нахождение признаков эквивалентности объектов производства. Детали классифицируют по конструктивному или технологическому подобию и вводят систему кодирования, которая отражает соответствующие свойства детали. Принятая система кодов кроме классификационных признаков детали, определяет структуру базы данных АСТПП и логику обращения к ней.
Существуют три типа структур кодов [6], на которых могут основываться системы кодирования групповых технологий: иерархические, цепные и гибридные. В иерархическом, или моноаспектном, коде (hierarchical code, monocode) значение знака кода определяется предшествующими знаками, по типу класс – подкласс и т. д. В цепной структуре (chain structure) формируется многоаспектный код (polycode). В таком коде каждая цифра не зависит ни от каких других. В гибридной структуре (hybrid structure) некоторые цифры образуют иерархические последовательности, тогда как другие рассматриваются автономно.
Среди зарубежных систем классификации наиболее известны:
код Vuoso-Praha (Чехия), система Опитца (Германия), система
КК-3 (Япония), MICLASS (Нидерланды), DCLASS (США), Brish (Великобритания).
В России на уровне государственного стандарта введен Технологический классификатор деталей машиностроения и прибо-ростроения (ТКД). Общая структура конструкторско-технологического кодирования детали представлена в таблице 1.
Позиции с 1 по 14 представляют собой конструкторский код детали, с 15 по 28 – технологический код детали. Позиции с 5 по 14 – код конструктивных признаков детали, с 15 по 20 – основной технологический код, с 21 по 28 – дополнительный технологический код. В частности, конструктивное кодирование основано на разбиении всего множества деталей сначала на классы (тела вращения, корпусные детали и т. д.), затем каждого класса – на подклассы и т. д. и присвоении
каждому классу, подклассу и т. д. цифрового кода. Фрагменты технологического кодификатора показаны ниже в таблицах 2 и 3.
Таблица 1 – Схема конструкторско-технологического кода детали
Номер позиции в коде | Классификационный признак |
1 2 3 4 | Индекс предприятия |
5 6 | Класс |
7 | Подкласс |
8 | Группа |
9 | Подгруппа |
10 | Вид |
11 12 13 14 | Регистрационный номер |
15 16 17 | Размерная характеристика |
18 19 | Группа материалов |
20 | Вид детали по технологическому процессу |
21 22 | Вид исходной заготовки |
23 24 | Точность |
25 | Параметр шероховатости |
26 | Характеристика элементов зубчатого зацепления |
27 | Характеристика термической обработки |
28 | Масса |
Таблица 2 – Фрагмент кодификатора размерной характеристики
Наибольший наружный диаметр | Код | Длина, мм | Код | Толщина или | Код |
До 5 | 0 | До 20 | 0 | До 0,2 | 0 |
1 | 2 | 1 | 0,,5 | 1 | |
1 | 2 | 3 | 2 | 0,,8 | 2 |
. . . | . . . | . . . | . . . | . . . | . . . |
Таблица 3 – Фрагмент кодификатора группы материалов
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 |
