Построение САПР ТП на базе использования процессов-аналогов

Процессами-аналогами называют типовые и групповые ТП. Еди­ничный ТП можно проектировать на основе процессов-аналогов. В этом случае его структура и содержание технологических операций в значительной мере определяются структурой процесса-аналога.

Рассмотрим использование процессов-аналогов на примере САПР ТП изготовления деталей машин.

В основе использования типовых ТП лежит предварительная классификация деталей по конструктивно-технологическим при­знакам. Цель классификации — определение принадлежности детали к некоторой группе (классу) деталей, обладающих общностью конструктивно-технологических признаков.

В промышленности находит применение технологический классификатор деталей (ТКД) машиностроения и приборостроения, являющийся продолжением и дополнением классификатора ЕСКД (классы 71 —76), разработанного в качестве информационной части ГОСТ 2.201—80 «Единая система конструкторской документации. Обозначение изделий и конструкторских документов». Клас­сификатор ЕСКД включает 100 классов, из которых 51 составляют пока резерв для размещения новых видов изделий. Классы 71 —76 охватывают детали всех отраслей промышленности основного и вспомогательного производств:

• класс 71 — тела вращения типа колес, дисков, шкивов, бло­ков, стержней, втулок, стаканов, колонок, валов, осей, штоков, шпинделейи др.;

• 72 — тела вращения с элементами зубчатого зацепления: трубы, шланги, проволочки, разрезные секторы, сегменты, изогнутые из листов, полос и лент; аэрогидродинамические корпусные, опорные и емкостные детали; вкладыши подшипников;

• 73 — корпусные, опорные и емкостные детали, не являющиеся телами вращения;

• 74 — плоскостные, рычажные, тяговые, аэрогидродинамические, изогнутые из листов, полос, лент профильные детали, не являющиеся телами вращения, и трубы;

• 75 — кулачковые, карданные, с элементами зацепления, санитарно-технические, разветвленные, пружинные, оптические, крепежные детали и ручки;

•76 — детали технологической оснастки и инструмента.

Технологический классификатор деталей можно использовать для решения следующих задач:

анализа номенклатуры деталей по их конструктивно-техноло­гическим признакам;

группирования деталей по конструктивно-технологическому подобию для разработки процессов-аналогов;

унификации и стандартизации деталей в ТП их изготовления;

тематического поиска и использования ранее разработанных процессов-аналогов.

Технологический классификатор деталей представляет собой систематизированный в виде классификационных таблиц свод наименований общих признаков деталей, составляющих их част­ные признаки и кодовые обозначения. Структура полного конструкторско-технологического кода детали состоит из обозначения детали по ГОСТ 2.201—80 и технологического кода длиной в че­тырнадцать знаков. Технологический код состоит из двух частей: постоянной части из шести знаков (рис. 2.5, а) и переменной ча­сти из восьми знаков (рис. 2.5, б).

Структура переменной части технологического кода зависит от технологического метода изготовления деталей (позиция б, см. рис. 2.5, а):

• 1 — литье;

• 2 — ковка и объемная штамповка;

• 3 — листовая штамповка;

• 4 — обработка резанием;

• 5 — термическая обработка;

• 6 — формообразование из полимерных материалов и резины;

• 7 — покрытие;

• 8 — электрофизико-химические методы;

• 9 — методы порошковой металлургии.
Соответственно ТКД содержит 9 разделов.
Использование таблиц ТКД позволяет однозначно представить

конструкторско-технологические признаки детали в виде кода опи­санной структуры.

В принципе, возможно использование и иных классификато­ров, при построении которых учитывается, например, специфика деталей, изготавливаемых на предприятии. При разработке клас­сификаторов следует помнить, что малое число признаков (3 — 5) делает классификационную систему слишком грубой и не позво­ляет с достаточной точностью отнести деталь к той или иной группе (классу). Большое (20 и более) число признаков делает классифи­катор неудобным в работе, что приводит к возникновению оши­бок.

Рис. 2.6. Примеры конструкций:

а - е - детали типа фланцевого диска; ж - деталь-представитель

В соответствии с ТКД конкретную деталь можно отнести к со­ответствующему классу, подклассу, группе, подгруппе или типу. Для каждого типа определена деталь-представитель (рис. 2.6). Для нее разрабатывают типовой ТП, структуру и основные параметры которого считают известными.

В работе профессора Н. М. Капустина [8] показано, что наряду I типовым ТП для проектирования можно воспользоваться обоб­щенным маршрутом изготовления деталей данного типа, подгруппы и т.д. Обобщенный маршрут представляет собой перечень (упо­рядоченное множество) оригинальных операций, входящих в еди­ничные ТП деталей данного типа. Пусть, например, тип (подгруп­па, группа и т.д.) представлены п деталями (рис. 2.7, а), с соот­ветствующими маршрутными ТП: М_1, М₂,..., М_n. При объедине­нии этих ТП (рис. 2.7, б) М_i М _у, где i = 1,..., п; М_у— обобщен­ный маршрут.

Необходимым условием включения единичного маршрутного ТП в обобщенный является наличие области пересечения мно­жеств операций, например процессов М_i - и M_j, как непустого множества М_пер: М_пер= Мi М_j≠0. Мощность пересечения мно­жеств операций единичных ТП желательно увеличивать, поскольку при этом мощность обобщенного маршрута уменьшается.

Обобщенный маршрут по сути — множество единичных марш­рутных ТП, представленных своими кодами операций с указани­ем их наименования и сущности выполняемой в каждой операции работы. В результате анализа описаний операций единичных ТП изготовления деталей, обладающих сходными конструктивно-тех­нологическими признаками, разрабатывают упорядоченные спра­вочники формулировок операций, входящих в обобщенный мар­шрут (табл. 2.2).

Различия между типовыми ТП и обобщенным маршрутом оче­видны. Типовой ТП является целостным и законченным процес­сом изготовления детали-представителя, которая, в принципе, могла бы существовать реально. Обобщенный маршрут не является законченным процессом, а представляет собой информационный объект, включающий упорядоченную последовательность всех ори­гинальных операций изготовления деталей соответствующей груп­пы (типа). Последнее делает его информационную ценность выше типового ТП.

Методология формирования групповых ТП подробно изложе­на в [2].

Сведения о процессах-аналогах входят в информационное обес­печение САПР ТП. Разработку единичных ТП изготовления дета­лей на основе процессов-аналогов выполняют в соответствии со структурной диаграммой, приведенной на рис. 2.8.

Используют конструктивно-технологические модели детали и исходных заготовок (как разработанных в ходе ТПП, так и дирек­тивно заданных). Параметры моделей можно вводить с помощью процессора ввода-вывода САПР ТП или импортировать из CAD, что в особенности характерно для интегрированных САПР. Вводят данные о годовом объеме выпуска, определяющие в сочетании с известной массой детали, тип ее производства.

Технологический контроль моделей (блок А1) целью которого является выявление ошибок, несоответствий и нетехнологичных элементов конструкций изготавливаемых деталей, выполняют в диалоговом режиме. Скорректированные модели детали и, при необходимости, заготовки передают для последующего формиро­вания ключа поиска процесса-аналога. Информацию о необходи­мых изменениях конструкции детали направляют в CAD.

Для того чтобы найти процесс-аналог в соответствующей базе, деталь классифицируют (например, с использованием ТКД). По классификационному коду детали определяют деталь-представи­тель и соответствующий ей ТП, который и принимают за процесс-аналог.

Ключ поиска может дополнительно к коду по ТКД включать информацию, например, об отрасли машиностроения, для ко­торой разрабатывался искомый ТП, времени его разработки, стране разработки и т.д. Однако излишняя информативность клю­ча поиска снижает надежность последнего и может привести к его полной безрезультатности. В этом случае информативность ключа понижают, игнорируя некоторые его составляющие. Иногда по­иск по ключу заменяют примерной («на глаз») классификацией детали с последующим просмотром деталей-представителей близ­ких классификационных групп. Деталь-представитель выбирают визуально с последующим уточнением ее технологических при­знаков.

Кодирование обобщенных маршрутов также можно выполнять с использованием кода ТКД, указывая в нем наиболее характер­ные признаки деталей данного типа, подгруппы и т. д. В силу боль­шей, чем, например, у типового ТП информативности, обобщен­ный маршрут предоставляет проектировщику большие и более удобные для использования возможности по выбору аналога для проектирования.

После ввода ключа собственно поиск аналога осуществляется автоматически в базе технологических процессов-аналогов или соответствующих обобщенных маршрутов. При поиске могут ис­пользовать дополнительные критерии выбора, например, пред­почтения по минимизации используемых в аналоге групп обору­дования и т.д.

Найденный аналог может быть неединственным. В этом случае пользователь, с помощью дополнительных критериев выбора или используя иные предпочтения, принимает решение о выборе един­ственного, наиболее предпочтительного варианта процесса-ана­лога. Часто, единственный вариант отбирают на основе визуально­го сравнения конструкций заданной детали и деталей-представи­телей.

Множество результатов поиска может быть и пустым. В этом случае изменяют ключ, уменьшив число признаков и, соответ­ственно, его информативность, после чего поиск повторяют до тех пор, пока не будет найден приемлемый процесс-аналог.

Выбранный процесс-аналог просматривают. Сравнивают кон­структивно-технологические признаки заданной детали и детали-представителя. При их тождественности (или минимальных разли­чиях) принимают решение об использовании процесса-аналога без корректировки, что в особенности характерно для единичного и мелкосерийного производств. Далее выполняют подготовку не­обходимой технологической документации (блок А1) и заверша­ют работу с системой.

При использовании обобщенного маршрута на его основе вы­полняют синтез единичного маршрутного ТП. Для этого необхо­димо решить две задачи:

• выбрать из справочников формулировок (см. табл. 2.2) нужные
операции для обеспечения требований качества, предъявляемых к
заданной детали;

• определить место каждой операции в проектируемом марш­рутном ТП.

Решение этих задач основано на том, что для каждой операции выявляют условия, которые будут определяющими при ее включе­нии в проектируемый ТП. Например, из табл. 2.2 видно, что опе­рации с кодами 1140 и 1155 включают в ТП, если необходима термическая обработка (закалка или улучшение). Из формулиро­вок других операций, например 1147, сразу не вытекают условия их включения в проектируемый ТП. Однако установка ступенчатого вала в патроне и люнете определяется отношением длины вала (L) к приведенному (среднему) диаметру (D_np) и необходимо­стью править центровые фаски, например, после термической об­работки вала.

Применяемые заготовки также влияют на выбор операций и их последовательность в проектируемом маршрутном ТП. Заданную точность размеров и формы обработанных поверхностей обеспе­чивают соответствующими методами обработки, выбор операций легко осуществляется по табличным моделям. Точность располо­жения обрабатываемых поверхностей зависит от выбранных тех­нологических баз, которые связывают с формулировками опера­ций. Габаритные размеры обрабатываемой детали и их граничные значения, а также объем партии запускаемых в производство из­делий в значительной мере влияют на выбор оборудования и тех­нологической оснастки.

Для выбора операций при синтезе единичного маршрутного ТП создают справочники условий.

Фрагмент справочника условий для выбора операций при об­работке ступенчатых валов [8]:

Пример использования справочника: операцию обработки сту­пенчатого вала с формулировкой «Токарная. В патроне и люнете. Подрезать торцы в размер и править центровые фаски согласно эскизу» включают в маршрут при условии (L/D_np) >12 (условие А₈₄), причем в случае, если перед этим была термическая обработка — улучшение (условие А₇₀). Таким образом, операция должна следо­вать после термической обработки — улучшения и предикат, оп­ределяющий выбор указанной операции, будет иметь вид А_п А_м. Однако эта же операция может следовать также и после термиче­ской обработки — закалки, когда вследствие коробления заготовки необходимо обработать торцы и править центровые гнезда. В этом случае логическая функция будет иметь вид А₆₇ А_М. Обобщение сказанного выражает предикат (A₇₀ A₈₄) (А₆₇ А₈₄). В общем слу­чае логическая функция выбора к-й операции:

где Аi,- — условие из справочника условий для класса (группы) деталей; n₁ — количество условий, связанных операцией конъюнкции; п₂ — количество конъюнкций, связанных операцией дизъюнкции.

Количество условий, связанных операцией конъюнкции, например, для группы ступенчатых валов, обычно не превышает двух-трех. Для других конструктивных групп их может быть и больше. Это количество устанавливают при разработке справочника усло­вий. Ограничения по количеству дизъюнкций не устанавливают. Таким образом, приведенная выше логическая функция представляет собой совокупность наборов соединенных между собой логической суммой. Один или несколько таких наборов мо­гут быть включены в логическую функцию. Однако только один из множества наборов однозначно позволяет выбрать операцию для I индивидуального маршрута и указать в нем соответствующее ей место. Операция может входить в индивидуальный технологический маршрут для деталей класса (группы), если f _k = 1 [8].

Упорядоченный в процессе-аналоге или обобщенном маршруте перечень операций позволяет выполнять структурно-парамет­рический синтез единичных маршрутных ТП для конкретных деталей с учетом геометрических, технологических и других особен­ностей (условий).

При использовании в качестве аналогов типовых ТП их преоб­разование в единичные ТП происходит в результате исключения из их структуры избыточных технологических операций и добавле­ния необходимых. При этом используют аналогичные представ­ленному справочники условий. Преобразование структуры процесса-аналога в структуру единичного ТП изготовления заданной детали называют структурной модификацией процесса-аналога. В боль­шинстве систем данная процедура слабо формализована и выпол­няется в диалоговом режиме, иногда, с использованием специали­зированных технологических редакторов.

Структурной модификации аналога обычно предшествует па­раметрическая (параметрическая настройка). Под параметрической модификацией понимают направленное изменение параметров процесса-аналога с целью его преобразования в единичный ТП изготовления заданной детали, удовлетворяющий заданным тре­бованиям.

Для любого технологического объекта проектирования выде­ляют:

• параметрические характеристики, определяющие взаимодействие объекта с внешней для него средой;

• внутренние (собственные) параметры объекта.

К параметрическим характеристикам маршрутного ТП изготов­ления детали, определяющим его взаимодействие, как объекта с внешней средой, относят данные об основном материале (код материала); вид и способ изготовления исходной заготовки; нор­мы расхода материала; характеристики рабочих мест (номера цеха, участка, рабочего места); коды и наименования оборудования.

Изменения параметров маршрутного ТП, как правило, приво­дят к необходимости изменения параметров или даже структуры многих его операций. Поэтому часто параметрическую настройку ТП начинают с уровня технологической операции.

К параметрическим характеристикам, определяющим взаимо­действие технологической операции с внешней для нее средой, отно­сят входные (до выполнения операции) и выходные (после выпол­нения операции) значения показателей качества заготовки; наи­менование и модель оборудования; данные о вспомогательном и режущем инструменте; наладочные размеры; объем операцион­ной партии деталей. Основными собственными параметрами опе­рации являются: норма подготовительно-заключительного вре­мени; размеры обрабатываемых поверхностей; режимы обработки; составляющие штучного времени. Некоторые параметры опера­ции являются зависимыми, другие — нет. В частности, основное время, как одна из составляющих штучного времени, прямо за­висит от размеров обрабатываемых поверхностей и режима об­работки.

Желательно, чтобы преобразование процесса-аналога в единич­ный ТП, отвечающий заданным требованиям, происходило при минимальных изменениях (модификации) аналога. Это снижает трудоемкость проектирования и сокращает длительность ТПП. При параметрической модификации учитывают, что влияние различ­ных параметров на результат проектирования и их роль в этом процессе различны. В частности, при параметрической модифи­кации операций-аналогов изменения некоторых параметров вполне допустимы, других — нежелательны, так как влекут за собой необходимость изменения структуры операций. Модифи­кация принимает характер структурно-параметрической, что ча­сто ведет к потере преимуществ, которые дает использование аналогов.

Параметрической модификации должен предшествовать обяза­тельный анализ, целью которого является выявление множества тех параметров, изменения которых не только допустимы, но и обеспечивают высокое качество проектных решений.

В основе значительного числа САПР ТП лежит конструкторско-технологическая параметризация. Используют параметризованные модели объекта производства (детали) и объекта проектирования (ТП и его элементов). Изменяемые параметры моделей рассматри­вают как переменные.

При конструкторской параметризации, задавая нужные значе­ния конструктивно-технологических параметров модели (чертежа) объекта, например, детали-представителя (рис. 2.9, а), получа­ют конкретные (желаемые) экземпляры объекта проектирования (рис. 2.9, б— г).

Рис. 2.9. Параметризованный чертеж детали-представителя и деталей, спро­ектированных на его основе:

а — деталь-представитель; б — палец; в — вал ступенчатый; г — втулка с бурти­ком; М, Т — вид и значение отклонения взаимного расположения поверхностей

К изменяемым параметрам относятся наименование и шифр детали; марка конструкционного материала; характеристики по­луфабриката (исходной заготовки); размеры поверхностей (см. рис. 2.9, а) — линейные (XI,..., Х5; р1,..., рЗ), диаметральные наружные (D1,..., D5), диаметральные внутренние (d5); показатели качества обрабатываемых поверхностей — отклонения линейных размеров (wl,..., w9), отклонения (посадки) и квалитеты точно­сти Kw диаметральных размеров (П1,..., П5; Kw1,..., Kw5; q4 — нижнее предельное отклонение размера D4). Параметры шеро­ховатости (RA1,..., RA4); отклонения взаимного расположения поверхностей и др. Для параметризованного чертежа (модели) де­тали перечень изменяемых конструкторских параметров обычно приводят в списке переменных.

Диапазоны изменения конструкторских параметров различны. Равенство нулю любого из размеров (за исключением габаритных) означает отсутствие у проектируемой детали соответствующей по­верхности (например, отверстия: Х5 = 0). Габаритные размеры про­ектируемой детали равны нулю быть не могут. Параметры шерохо­ватости и отклонения размеров могут указываться явно или по умолчанию.

При технологической параметризации, изменяя параметры модели объекта проектирования (например, технологической опе­рации), стремятся получить его единичный экземпляр, полностью соответствующий условиям применения. К числу изменяемых тех­нологических параметров относят следующие характеристики пе­реходов или операций: шифр и наименования операции и обору­дования; параметры текстов переходов; показатели качества по­верхностей после обработки и т.д. Для разработанного ранее ТП принимают в качестве переменных подлежащие изменению кон­структорские и технологические параметры.

Обычно, параметризованная модель, например, технологиче­ской операции, представляет собой текст операционной карты, в котором изменяемые параметры указаны в виде символов. Задав желаемые значения этих символов, пользователь получает, по ос­новной идее метода параметризации, единичный текст операци­онной карты.

В ряде САПР ТП используют параметризованные описания со­держания операций ТП-аналога. Такие описания называют пара­метризованными копиями. В их текстах вместо численных значений соответствующих характеристик и параметров указаны символы «пробел». Пользователь должен вместо пробела указать необходи­мые для конкретной детали численные значения, выполнить не­обходимое редактирование, и текст операции считается готовым, а параметрическая настройка — завершенной.

Процесс проектирования в таких САПР ТП может привести к принципиальным ошибкам и поэтому требует постоянного вни­мания квалифицированного технолога.

Рассмотрим пример. Ниже приведен фрагмент текста карты токарно-винторезной операции-аналога, предложенного пользова­телю системой.

1.УСТАНОВИТЬ ЗАГОТОВКУ В ПАТРОН И ЗАКРЕПИТЬ
ПАТРОН 3-х КУЛАЧКОВЫЙ, ГОСТ....

2.ПОДРЕЗАТЬ ТОРЕЦ В РАЗМЕР ____
РЕЗЕЦ ПОДРЕЗНОЙ, ГОСТ....

3.ТОЧИТЬ НАРУЖНЮЮ ЦИЛИНДРИЧЕСКУЮ
ПОВЕРХНОСТЬ В РАЗМЕР ___ НА ДЛИНЕ ___
РЕЗЕЦ ПРОХОДНОЙ, ГОСТ....

……………………………………………….

СНЯТЬ ЗАГОТОВКУ.

Данный пример при отношении длины исходной заготовки к среднему (приведенному) диаметру меньшем 3 — 5 соответствует в целом правильно определенному содержанию операции. При боль­шем значении этого отношения текст ошибочно отражает содер­жание операции, так как для ее выполнения необходима установ­ка заготовки в центрах. Используемое приспособление становится иным, подрезка торца затруднена. Требуется изменение техноло­гической оснастки, а, возможно, и структуры операции.

При использовании параметризованных моделей перманентное изменение параметра может привести к скачкообразному измене­нию технологического решения и, в частности, изменению струк­туры объекта проектирования. Формирование проектного реше­ния требует обязательного участия специалиста. Решение стано­вится субъективным, зависящим от опыта и знаний проектиров­щика.

В современных интегрированных САПР ТП все чаще использу­ют конструкторско-технологическую параметризацию. В этих систе­мах предусмотрена возможность отслеживания изменения структуры ТП при изменении параметров конструкции проектируемой детали. Если в рассмотренном выше примере для детали — вала отноше­ние длины исходной заготовки к среднему диаметру будет больше 3 — 5, то параметрическую настройку будут выполнять для опера­ции-аналога, предусматривающей обработку заготовки в центрах.

Возможно представление ТП-аналога в табличной форме. Каж­дая строка такой таблицы содержит информацию о технологичес­ких операциях и переходах процесса-аналога. Столбцами таблицы являются характеристики операций и переходов. На пересечении строки и соответствующего столбца указывают значение, равное 0 или 1 в зависимости от соотношений конструктивных параметров детали. Например, если у детали отсутствует лыска (высота лыски равна 0), то автоматически из текста ТП удаляются переходы ее фрезерования. Если шероховатость наружной поверхности детали — тела вращения (вал, втулка и т.д.) более Ra 2,5 — из текста удаля­ют круглошлифовальные операции. Если в технических требова­ниях нет указаний на значения твердости HRC — удаляют опера­ции термической обработки. Так выполняют автоматизированную

настройку процесса-аналога на технологию изготовления задан­ной детали.

Таким образом, в САПР ТП на базе использования процессов-аналогов разработка единичного ТП сводится к редактированию процесса-аналога в соответствии с конструктивно-технологичес­кими особенностями детали, для которой этот процесс и разраба­тывают. При этом может измениться как структура процесса-ана­лога (вследствие включения в него или, наоборот, удаления неко­торых операций), так и содержание самих технологических опера­ций. Возможно проведение необходимых технологических расче­тов по определению режимов обработки, нормированию опера­ций и т.д.

Решения, принятые в процессе проектирования и представлен­ные параметрами маршрутной и операционной технологии, оце­нивают. При оценке используют различные количественные (тех­нико-экономические) и качественные критерии. Если параметры спроектированной маршрутной (или) операционной технологии не отвечают поставленным критериям, то принимают решение об изменении ТП. В зависимости от степени несоответствия парамет­ров ТП поставленным критериям необходимые изменения вносят либо на этапе редактирования, либо на этапе выбора процесса-аналога. В последнем случае возможна корректировка конструкторско-технологического кода детали и поиск нового процесса-ана­лога с выполнением всех последующих этапов разработки.

Параметры разработанного ТП представляют в технологичес­кой документации в формах, установленных стандартами ЕСТД (см. гл. 1).

Областью применения рассматриваемых САПР ТП является единичное и серийное производство, характеризующееся частой сменой предмета производства. Желательно, чтобы изготавливае­мые детали при всех различиях конструктивно-технологических параметров, обладали определенным подобием. Это позволит в полной мере использовать преимущества рассматриваемых систем при формировании высокоэффективных проектных решений.