Структура систем автоматизированного синтеза единичных технологических процессов

Создание систем автоматизированного синтеза единичных ТП на основе конструктивно-технологических параметров предмета производства (в частности — детали) является одной из наиболее актуальных и нерешенных пока проблем автоматизации проекти­рования. Главной причиной этого является отсутствие общего ре­шения проблемы синтеза структур объектов проектирования ин­вариантного их классу.

.

Известен ряд концептуальных подходов к решению проблемы синтеза структур ТП. Однако каждый из них обладает рядом не­достатков, в том числе и принципиальных, которые делают не­возможным создание эффективно работающих САПР ТП на их основе.

При обеспечении поддержки решений, принимаемых и реали­зующихся в ПТЦ, наиболее целесообразна автоматизация синтеза маршрутных ТП, в частности, изготовления деталей, одна из со­временных концепций которой излагается ниже [9].

Рассматриваемая концепция предполагает:

• отказ от копирования действий человека — проектировщи­ка ТП;

• штатный режим работы системы — пакетный, реализующий­ся по завершении интерактивного ввода исходных данных;

• использование в качестве элементарной структурной единицы, на базе которой формируют маршрутный ТП, технологического метода.

Концептуальная модель автоматизированной системы синтеза маршрутных ТП изображена на рис. 2.10.

В системе определяют состав и последовательность технологи­ческих операций, но не строят структуру последних.

Входные данные системы включают в себя:

• конструктивно-технологические параметры детали и заготовки, которые могут формироваться в CAD, а затем импортиро­ваться;

• организационно-производственные данные (объем выпуска детали, объем производственной партии, вид (код) заготовки, ее размеры, единицы нормирования, номера цеха, участка и т.д.);

• данные о технологических возможностях и ресурсах производства.

Геометрическо-технологическое моделирование заготовки и дета­ли (блок 1) выполняют с использованием специализированной гра­фической среды. Деталь представляют упорядоченной совокупностью комплексов поверхностей, объединяемых общностью технологии формообразования. Для каждого комплекса генерируют (блок 2) множество элементарных маршрутов его обработки, элементы ко­торого после селекции становятся информационной основой для выполнения собственно синтеза единичного маршрутного ТП.

Синтез ТП (блок 3) выполняют в пакетном режиме за два по­следовательных этапа: макетирования и корректировки маршрут­ного ТП.

Макет маршрутного ТП формируют «от готовой детали к заго­товке» объединением переходов различных элементарных марш­рутов обработки комплексов (ЭМОК) в макеты операций на базе общности групп используемого оборудования и множеств возмож­ных схем установки (СУ) заготовки. Последовательность макетов операций устанавливают, используя априорное разделение ТП по этапам (см. табл. 2.1).

Макет маршрутного ТП — первичное проектное решение, нуж­дающееся в корректировке.

Корректировку макета маршрутного ТП выполняют «от заго­товки к готовой детали». Поверхности, обработка которых описана в макетах операций, связывают технологическими базами, допус­кающими их обработку. При этом может изменяться последова­тельность и содержание технологических операций. Учитывают об­щетехнологические принципы построения процессов изготовле­ния деталей [2].

Сформированное множество маршрутных ТП оценивают (блок 4) прежде всего по технологической непротиворечивости по­лученных результатов. Варианты ТП, содержащие противоречащие общетехнологическим правилам фрагменты, исключают из рас­смотрения. При необходимости над множеством вариантов ТП вы­полняют процедуры оптимизации. Для принятого варианта оформ­ляют технологические документы (блок 5).

Геометрическо-технологическую модель предмета производства, используемую при синтезе ТП, формируют из элементов, называ­емых технологическими комплексами поверхностей.

Технологический комплекс (Т-комплекс) — совокупность по­верхностей различных типов, которые могут быть обработаны со­вместно при непрерывном движении инструмента по заданной траектории или обработаны комплектом последовательно исполь­зуемых инструментов при реализации ЭМОК. Каждому Т-комплексу ставят в соответствие множество технологических методов, которые в зависимости от условий производства и требований к качеству обработки могут быть использованы отдельно или в сово­купности, как переходы ЭМОК, для совместной обработки всех поверхностей, образующих Т-комплекс. Фрагмент каталога Т-комплексов представлен в табл. 2.3.

Основные аспекты моделирования предметов производства с использованием Т-комплексов рассмотрены в гл. 4.

Элементарные маршруты обработки комплексов — совокупность технологических переходов, последовательное выполнение кото­рых ведет к формообразованию множества поверхностей данного Т-комплекса и обеспечению предъявляемых к ним требований ка­чества. ЭМОК не хранят в готовом виде, а генерируют вновь для каждого конкретного сочетания требований качества, предъявля­емых к поверхностям Т-комплекса и условиям их обработки. Для каждого Т-комплекса разработаны графы генерации ЭМОК.

При генерации ЭМОК используют данные об объеме выпуска, определяющие тип производства, а также наиболее общие пра­вила, дополнительно характеризующие условия применимости конкретного технологического метода. В результате для каждого

Т-комплекса формируют множество вариантов ЭМОК, мощность которого зависит от состава исходных технологических методов, а также диапазонов значений показателей качества соответствую­щих поверхностей.

Для каждого варианта ЭМОК определены:

• идентификатор Т-комплекса, типы и геометрическо-технологиче­ские параметры входящих в него поверхностей;

• порядковый номер ЭМОК, список входящих в него техноло­гических переходов;

данные по переходам: порядковый номер перехода в ЭМОК; реали­зующийся в переходе технологический метод; показатели качества заготовки до обработки методом текущего перехода; показатели качества заготовки после обработки методом текущего перехода; приоритетная группа оборудования (ГО) для реализа­ции перехода; группа инструментов; список идентификаторов воз­можных СУ заготовок.

Для каждого Т-комплекса генерируют несколько вариантов ЭМОК, однако, если их число превосходит три, автоматизиро­ванный синтез маршрутного ТП становится затруднен технически. Необходимо уменьшение числа вариантов ЭМОК, что достигают их селекцией (отбором).

Целью селекции является не выбор единственного варианта ЭМОК для каждого комплекса, а сокращение числа этих вариан­тов до минимума, не оказывающего влияния на объективность и качество результатов последующего синтеза маршрутных ТП.

При селекции ЭМОК последовательно применяют следующие критерии: ожидаемые суммарные затраты на выполнение ЭМОК; однородность ГО и множеств используемых СУ в различных ЭМОК и внутри каждого ЭМОК.

Расчет затрат на выполнение каждого перехода и ЭМОК в це­лом носит приближенный (оценочный) характер и может выпол­няться в относительной форме с использованием, например, ко­эффициента машино-часа.

Критерии однородности отражают доказанное положение о желательности сокращения номенклатуры используемых средств технологического оснащения. Для конкретного Т-комплекса из всех вариантов ЭМОК наиболее предпочтительными являются те, для реализации которых используется минимальное число различных ГО и минимальное число различных СУ заготовок. Методика гене­рирования и селекции ЭМОК, а также необходимое информаци­онное обеспечение представлены в [10].

Синтез маршрутного ТП (рис. 2.11) начинают с предваритель­ного определения содержания и последовательности технологи­ческих операций. Предварительно определенное содержание опе­рации называют ее макетом.

Макет операции — информационный объект следующей струк­туры:

{НОМЕР ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ТИП ОБ­РАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ, {{НОМЕР ПЕРЕХОДА ПОРЯДКОВЫЙ, МЕТОД, {ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА ДО ОБ­РАБОТКИ, ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ}}}}, ИДЕНТИФИКАТОР ОБОРУДОВАНИЯ, ГРУППА, ТИП ОБОРУ­ДОВАНИЯ, {СХЕМА УСТАНОВКИ}.

Макет не является полностью и окончательно сформирован­ной операцией. Его можно создавать, сохранять, трансформиро­вать и уничтожать. Упорядоченная последовательность макетов операций образует макет ТП, который впоследствии можно моди­фицировать (изменять).

В зависимости от типа производства автоматически выбирается стратегия синтеза. В единичном и среднесерийном производстве используют стратегию концентрации: формируют операции, со­держащие максимально возможное число технологических пере­ходов обработки максимального числа поверхностей.

В крупносерийном и массовом производстве применяют страте­гию дифференциации: число переходов в операции ограничено необходимостью соответствия штучного времени такту выпуска.

В связи с подавляющим преобладанием предприятий с единич­ным и среднесерийным типами производства рассматриваем толь­ко стратегию концентрации.

На рис. 2.12 показан алгоритм макетирования маршрутного ТП при его синтезе. Совокупность необходимых исходных данных см. рис. 2.11.

В результате анализа заданных значений показателей качества обрабатываемых поверхностей деталей, входящих в состав Т-комплексов, определяют (см. табл. 2.1) номер этапа ТП, на котором завершается изготовление детали. Номер этапа (N₃) является мак­симальным в формируемом процессе и фиксируется. Задают но­мер (Пф) формируемой операции. Так как макетирование ТП ве­дут «от детали к заготовке», то для последней операции процесса л_ф= 1.

Определяют (блок 4, см. рис. 2.12) подмножество поверхностей, обработка которых заканчивается на этапе Л^. Так как каждая из них принадлежит соответствующему Т-комплексу, для которого определен (и отобран) ЭМОК, то выделение указанного множе­ства поверхностей автоматически означает, что определены пере­ходы (элементы множества ЭМОК детали), выполнение которых завершается на этапе N₃.

В одну операцию могут в принципе быть объединены переходы (в том числе и относящиеся к разным ЭМОК), не только выпол­няющиеся или завершающиеся на этапе N₃, но и переходы, вы­полняющиеся на предшествующем этапе (N₃ - 1). В самом деле, в одной операции могут выполнять переходы, относящиеся, напри­мер, к черновой и получистовой обработке или к получистовой и чистовой обработке.

Для каждого перехода, который в принципе мог бы быть вы­полнен в формируемой операции, определяют ГО, реализующего его и множество возможных СУ.

Сочетание признаков {ГО,{СУ}} составляет основу ключа груп­пирования переходов в операции. Для потенциально объединяе­мых переходов ключей группирования может быть несколько. Каж­дое из подмножеств объединяемых переходов является основой для формирования альтернативных вариантов маршрутного ТП.

На множестве ключей группирования устанавливают приори­тетный порядок перебора его элементов при макетировании TI Наивысшим приоритетом обладает ключ группирования, соответ­ствующий подмножеству переходов, обеспечивающих максималь­ное приближение состояния качества обрабатываемой поверхно­сти заготовки к зоне, соответствующей состоянию качества по­верхностей готовой детали.

Установление приоритетов ключей группирования по предло­женному принципу имеет ясную технологическую интерпретацию: чем более высокие требования качества предъявляют к поверхно­сти детали, тем позже эту поверхность обрабатывают окончатель­но в ходе ТП изготовления детали, или порядок технологических операций в целом обратен требованиям к качеству поверхностей заготовки, обеспечиваемым в каждой из них.

Принцип группирования иллюстрирует рис. 2.13: множество пере­ходов {П₅₃, П₅₄,..., П_к2, П_и} с ключом группирования {ГО{СУ}}₃ обладает наивысшим приоритетом, где 1,..., к — номера ЭМОК; П_i,j — j -переход i -го ЭМОК; IT — квалитет точности; N_э — номер этапа ТП; Д — зона готовой детали; 3 — зона заготовки. Макет операции будет сформирован на основе объединения указанных переходов. Переходы, для которых выполняются условия группи­рования, включают в операцию n_ф и одновременно исключают из соответствующих ЭМОК.

При отсутствии переходов, удовлетворяющих условиям груп­пирования, при фиксированном ключе и наличии других ключей счетчик макетов (см. рис. 2.12) операций задает номер следующей из них, а управление синтезом передают ключу максимального приоритета из оставшихся. Если ключей группирования для рас­сматриваемого этапа N_э больше нет, счетчик уменьшает номер этапа: N_э = N_э - 1. Описанные действия продолжают пока N_э> 1. При N_э=0 выполняют перенумерацию макетов операций (от заго­товки к детали) и выдачу результатов на экран монитора или уст­ройство печати.

Сформированные макеты операций могут быть избыточными по числу включенных переходов и не отвечать ряду формальных требований к содержанию (составу) операций. Аналогичными не­достатками может обладать и сформированная последовательность операций (макетов). Это вызывает необходимость в корректировке макета маршрутного ТП.

Установку заготовки при выполнении технологической операции определяют ее базы и схема закрепления, характеризующая место и направления действия сил закрепления заготовки. В настоящее время отсутствуют САПР ТП, в которых СУ определяется автома­тически (или при минимальном диалоге пользователя с системой).

В результате анализа СУ, использующихся при изготовлении деталей, выявлено следующее:

• при установке используют не более четырех поверхностей за­готовки;

• в СУ используют элементарные поверхности следующих ос­новных типов: наружная цилиндрическая, внутренняя цилиндриче­ская, внутренняя коническая, плоскость;

• установочными базами чаще всего служат поверхности глав­ных форм и функционально базовые поверхности (например, цент­ровые отверстия).

Выбору СУ должно предшествовать генерирование максималь­но возможного числа их альтернативных вариантов. Генерируемые варианты СУ не должны противоречить общетехнологическим принципам и правилам [2].

Любая СУ может быть представлена в следующей форме:

УСТАНОВКА (b₁, b₂, b₃, b₄, b₅, b₆),

где b₁..., b₆ — номера поверхностей заготовки; b₁, b₂, b₃ — номера поверхностей, являющихся только установочными базами; b₄, b₅, b₆ — номера поверхностей, являющихся как установочными база­ми, так и зажимными поверхностями. Данное представление СУ используют для их автоматизированной генерации и идентифика­ции, осуществляемых в соответствии с рис. 2.14. Первые буква и цифра идентификационного номера СУ указывают тип и коли­чество поверхностей заготовки, являющихся только установочны­ми базами, вторые буква и цифра определяют тип и количество поверхностей заготовки, являющихся установочными и (или) за­жимными. На рис. 2.15 изображены варианты реализации схемы ПП13, отличающиеся лишь номером зажимной поверхности:

Рис. 2.15. Варианты реализации СУ ПП13:

1—3 — при различных направлениях силы закрепления; Пл1 — Плб — плоские поверхности заготовки, которые в принципе могут использоваться при ее уста­новке

ПП13 = УСТАНОВКА (Пл1, 0, 0, Пл2, Пл6, ПлЗ);

ПП13 = УСТАНОВКА (Пл1, 0, 0, Пл2, Пл6, Пл4);

ПП13 = УСТАНОВКА (Пл1, 0, 0, Пл2, Пл6, Пл5).

Схемы, изображенные на рис. 2.16, описывают одним отноше­нием:

ПН11 = УСТАНОВКА (Пл1, О, О, Н, 0, 0).

Налицо неоднозначность при идентификации СУ, однако, для целей проектирования она не имеет существенного значения или даже играет положительную роль, так как при одном и том же описании расширяет число альтернатив, подлежащих анализу.

Любую из СУ можно реализовать только при выполнении оп­ределенных условий, накладываемых на геометрические и техно­логические параметры базовых поверхностей заготовки (табл. 2.4).

Наиболее общие условия реализуемости определены для основ­ных СУ, применяемых в машиностроении [11].

Автоматизированную генерацию СУ осуществляют следующим образом:

• формируют геометрическо-технологическую модель заготов­ки в состоянии, соответствующем определенному этапу (опера­ции) ТП. Идентифицируют поверхности заготовки;

• выполняют последовательный перебор сочетаний поверхностей и на их основе представляют СУ в приведенной форме;

• для каждого формального представления СУ проверяют возможность ее реализации. Если для данного сочетания поверхностей выбранную схему реализовать невозможно, его исключают из рассмотрения;

• для СУ, реализация которых возможна, в пакетном режиме выполняют различные проверки, оценки и другие действия, необходимые при решении задач проектирования.

Определение СУ для первой и последующих операций проектируемого ТП принципиально различаются. В первой операции ТП используют (и только один раз) черные установочные базы. Во второй и последующих операциях заготовку устанавливают на уже обработанные поверхности. Базовые поверхности должны быть об­работаны в операциях, предшествующих выполняемой.

Выбор варианта СУ для первой операции основан на положении: выбранная СУ должна обеспечивать возможность обработки (доступа) для максимального числа поверхностей из их множества, запланированных для обработки в первой операции. Обработанные при выбранном варианте СУ поверхности маркируют и далее — при выборе СУ для последующих операций постоянно учитывают текущее состояние предмета производства.

Применение той или иной СУ разделяет поверхности заготов­ки на две группы:

• поверхности, которые не могут быть обработаны при данной СУ (поскольку являются базовыми или закрыты элементами при­способления);

• поверхности, которые могут быть обработаны.

При разделении указанных поверхностей (определении зон воз­можной обработки) учитывают группу, тип оборудования, ори­ентацию его рабочего пространства. Общее решение данной задачи затруднительно, поэтому используют комплект частных решений с упрощающими допущениями.

Выявлено общее правило, определяющее для поверхностей за­готовки возможность их обработки при одном установе: любые две поверхности, взятые из макета операции, могут быть обработаны при одном установе заготовки, если тождественны используемые при этом СУ, сочетания базовых поверхностей, группа и тип при­способления.

Правила выделения зон возможной обработки и определения возможности обработки за один установ позволяют выделить по­верхности, обрабатываемые в данной операции, и тем самым ус­тановить ее состав. С этого момента начинают корректировку со­держания и последовательности операций.

Содержание операций, представленное в макетах, пересматри­вают с позиций обеспечения его наиболее полной реализации при выбранной СУ и возможном изменении последней. Выполняют генерацию и селекцию альтернативных вариантов фрагментов марш­рутного ТП. Анализ и корректировку макетов операций осуще­ствляют в направлении «заготовка-деталь».

Корректировку содержания и последовательности операций выполняют, пока не будут связаны базами все обрабатываемые поверхности и не сформированы все соответствующие операции. При синтезе формируют альтернативные варианты маршрутного ТП. Это связано с наличием, например различных ключей группи­рования, альтернативности СУ, приводящих к различным про­должениям маршрутного ТП и т.д.

Предусмотрено «параллельное» формирование и рассмотрение альтернатив с определением необходимых (указываемых пользо­вателем САПР ТП) итоговых технико-экономических показате­лей проектного решения. По этим показателям в последующем осуществляют оптимизацию маршрутного ТП.

В алгоритмах рассмотренной системы синтеза ТП широко ис­пользуют технологические эвристики. Эвристика представляет со­бой частный (неполный) метод решения какой-либо задачи. Обычно это эмпирическое правило или стратегия.

Для предварительного определения содержания и последова­тельности операций используют следующие правила.

1. Начальными операциями процесса должны быть операции обработки технологических баз (промежуточных или окончатель­ных). Их выполняют на черновом или получистовом этапах про­цесса изготовления детали. Операции обработки баз у тел вращения должны содержать обработку торцевых поверхностей.

2. Последовательность обработки зависит от системы простановки размеров на рабочих чертежах деталей: в начало ТП выносят обработку поверхностей, относительно которых на чертеже координировано наибольшее количество других поверхностей.

3.При невысокой точности исходной заготовки сначала обраба­тывают поверхности, имеющие наибольшую толщину удаляемого материала (для раннего выявления дефектов заготовок).

4.Чем точнее поверхность, тем позже она обрабатывается окон­чательно в общем ТП изготовления детали.

5.Операции обработки поверхностей, имеющих второстепенное значение и не влияющие на точность основных размеров дета­лей (мелкие отверстия, фаски, канавки и т.п.), следует выполнять на чистовом этапе процесса, до операций окончательной обработ­ки ответственных поверхностей.

6.Легкоповреждаемые поверхности (наружные резьбы, зубча­тые поверхности с мелким модулем, наружные шлицевые поверхности и т. п.) обрабатывают на завершающих операциях ТП.

7.Операции, связанные с термическими и силовыми деформациями, должны выполняться до этапов чистовой и отделочной обработки.

8.Операции химико-термической обработки разделяют технологический процесс на самостоятельные части, каждая из которых может содержать операции чернового и получистового этапов.

9.Первыми после термической обработки выполняют операции обработки (восстановления) технологических баз.

10.Некоторые операции химико-термической обработки (циани­рование, азотирование, цементация) требуют включения в ТП опе­раций по обеспечению защиты поверхностей, для которых такая обработка не предусмотрена, например, гальванического меднения.

11.После операций, связанных со значительными деформация­ми заготовки или обеспечением высоких значений показателей качества, следует предусматривать контрольные операции.

12.Предварительное содержание операций определяют, объе­диняя переходы, которые могут быть выполнены на выбранном (заданном) оборудовании.

13.Возможно объединение в одну операцию переходов, соот­ветствующих этапам:

• черновому и получистовому;

• получистовому и чистовому.

Допускают обоснованные отступления от изложенных принци­пов и правил. Например, при реализации принципа концентрации в одну операцию могут включать переходы, относящиеся к черно­вому, получистовому, чистовому этапам, однако указанные пере­ходы должны выполняться последовательно и не могут выполняться одновременно.

Кроме общих правил действуют частные правила объединения переходов в операции, ориентированные на применение оборудо­вания соответствующих групп и типов, определяющих наименова­ние формируемой технологической операции. Далее приведен ряд правил для некоторых видов технологического оборудования.

1.Токарно-винторезная операция:

• допускается объединять переходы обработки:
черновой и получистовой;
получистовой и чистовой;
цилиндрических и торцевых поверхностей;

• при методе автоматического получения размеров объединяют переходы, выполняемые не более чем четырьмя резцами, число осевых инструментов не ограничивается;

• переходы выполняют только последовательно.

2.Токарно-револьверная и автоматная операции:

• допускается объединять переходы обработки:

наружных (внутренних) цилиндрических поверхностей, ди­аметры которых возрастают в направлении шпинделя (от шпин­деля);

выполняемые как с радиальной, так и с осевой подачей;

• в позицию объединяют переходы с близкими требованиями к качеству;

• совмещение переходов во времени допускается только с применением штатного вспомогательного инструмента.

3.Токарно-гидрокопировальная операция:

• допускается объединять переходы обработки:
выполняемые с радиальной и осевой подачей;
поверхностей, расположенных в одном направлении от максимального диаметра заготовки.

4.Токарная операция с ЧПУ:

• допускается объединять переходы обработки поверхностей, расположенных в одном направлении относительно максимально­го диаметра заготовки;

• объединяют все виды токарной обработки;

• переходы выполняют последовательно.

5.Вертикально- и радиально-сверлильная операции:

• объединяют все переходы обработки отверстий осевым инст­рументом;

• переходы выполняют последовательно.

6. Вертикально-фрезерная операция:

• допускается включать переходы сверлильной обработки;

• переходы выполняют последовательно.

7.Круглошлифовальная операция:

• допускается объединять обработку смежных поверхностей вращения и торцов;

• переходы совмещают только в среднесерийном и массовом производстве;

• основная схема установки — по центровым отверстиям.

При объединении переходов в операции учитывают необходи­мость обеспечения допусков взаимного расположения поверхно­стей, этому способствуют:

обработка поверхностей, связанных допуском взаимного рас­положения, в особенности окончательная в одной операции, за один установ или даже один инструментальный переход (одновре­менная обработка параллельных плоскостей на продольно-фрезер­ном станке, параллельных отверстий на многошпиндельном агре­гатном оборудовании; растачивание отверстия и подрезание пер­пендикулярного его оси торца; обработка соосных цилиндричес­ких поверхностей одним резцом на гидрокопировальном полуав­томате или на токарном станке с ЧПУ по одной программе и т.д.);

базирование при окончательной обработке поверхностей, свя­занных допуском взаимного расположения, оно должно осуще­ствляться по поверхности, относительно которой задан указан­ный допуск;

конкретный анализ условий обеспечения допуска взаимного расположения каждого вида.

Область применения систем синтеза ТП — многономенклатурное производство практически любого типа. Эффективному исполь­зованию систем способствует предметная специализация: жела­тельно использование системы для проектирования ТП изготов­ления деталей ограниченного числа (близких) классов или групп. Создание автоматизированной системы синтеза ТП, инвариант­ной предмету производства (классу детали), является делом буду­щего. Такие системы можно будет применять не только при ТПП (отработка конструкций на технологичность, проектирование ТП), но и при непосредственном производстве. В последнем случае их используют для решения, например, задач ситуационного управ­ления — оперативного поиска наиболее эффективного или даже оптимального продолжения ТП при нарушении его штатной реа­лизации вследствие изменения производственной ситуации.