Разработка механизмов взаимодействия между конструкторской и технологической подготовкой производства для принятия рациональных проектных решений

УДК 621.7:658.12

С.Г. Митин, П.Ю. Бочкарёв

РАЗРАБОТКА МЕХАНИЗМОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ КОНСТРУКТОРСКОЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКОЙ ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ ПРИНЯТИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ

Статья посвящена вопросу принятия рациональных проектных решений на стадии разработки конструкции деталей в условиях недостатка информации о технологических возможностях производственной системы, в которой предполагается изготовление детали. Рассматривается система автоматизированного планирования многоно-

менклатурных технологических процессов и определяются её возможные взаимодействия с проектными процедурами конструкторской подготовки.

Автоматизация проектирования, технологическая подготовка производства, конструкторская подготовка производства, многономенклатурное производство

S.G. Mitin, P.Yu. Bochkarev

INTERACTION MECHANISMS BETWEEN THE DESIGN AND PROCESS ENGINEERING TO MAKE EFFICIENT DESIGN SOLUTIONS

The article focuses on the issues of efficient solutions at the stage of developing product parts under lack of information about the technological potential of the manufacturing system to be usedfor manufacturing the product parts. The authors consider the computer-aided multinomenclature process planning system, and determine its possible interactions with the design procedures. .

Automation of design, CAD/CAM/CAPP, multinomenclature manufacturing

Машиностроительное производство на современном этапе развития характеризуется широкой и постоянно меняющейся номенклатурой изготавливаемых деталей в соответствии с возникающими потребностями рынка. Рыночные условия диктуют необходимость сокращения длительности производственного цикла, большую часть времени которого составляет конструкторско-технологическая подготовка производства (КТПП). Одним из путей решения этой задачи является комплексная автоматизация КТПП и автоматизация отдельных её этапов [1].

Развитие информационных технологий и повышение вычислительных мощностей позволяют создавать и реализовывать качественно новые подходы к решению задач автоматизации проектирования. Одним из таких подходов является разработка автоматизированной конструкторско-технологической системы, позволяющей при проектировании конструкции изделия и технологии его изготовления ориентироваться на реально складывающиеся производственные условия и обеспечивающей рациональные решения задач проектирования в кратчайшие сроки.

Такой подход обусловлен тем, что в современных условиях при разработке конструкции новых изделий проектировщик зачастую не имеет возможности оценить, насколько рациональным будет то или иное его решение с точки зрения дальнейшего технологического проектирования и производства в конкретной производственной системе. Из-за недостатка информации некоторые из принятых конструктором решений могут значительно усложнить технологическую подготовку и реализацию её результатов. В связи с этим необходима разработка механизмов взаимодействия конструктора с системой технологического проектирования с целью получения рекомендаций по созданию рациональной конструкции изделия в рамках конкретной производственной системы. С рациональной конструкцией изделия связано одно из базовых понятий технологии машиностроения - понятие технологичности конструкции, определяющее такую совокупность конструктивных и точностных параметров деталей, которые могут быть получены с использованием имеющихся технологических возможностей за минимальное время и с минимальной себестоимостью. Разработка технологических процессов и операций с учетом показателя технологичности [2], в конечном итоге и позволит повысить конкурентоспособность машиностроительных предприятий в современных рыночных условиях.

Конструкторская подготовка производства проводится в несколько этапов: разработка технического предложения, разработка эскизного проекта, разработка технического проекта, разработка технической документации. На каждом этапе задействованы существующие CAD/CAE системы, однако они не имеют возможности получения информации о технологических возможностях конкретной производственной системы, поэтому конструктор не может провести сравнение нескольких возможных вариантов решения задач по разработке конструкции изделий и выбирает один из вариантов по своим субъективным причинам.

Наметим проектные процедуры, в которых может осуществляться взаимодействие конструктора и технологической системы, когда конструктор может получить рекомендации по принятию решений, обеспечивающих рациональную конструкцию деталей для конкретной производственной системы, а принятые им решения могут существенно повлиять на время и стоимость изготовления деталей (рис. 1).

При разработке конструкции детали определяется функциональное назначение всех её поверхностей, на основе которого формируются требования к точности их изготовления, качеству поверхности, отклонениям геометрической формы. Эти требования, зачастую, определены в справочной литературе в виде диапазона значений, из которого конструктор может выбирать конкретные значения, исходя из своего опыта. Ввиду отсутствия информации о технологических возможностях производственной системы, конструк-

тор может выбрать такие значения квалитетов точности или шероховатости поверхностей, которые существенно увеличат трудоёмкость и себестоимость механической обработки.

_

Конструкторская подготовка производства

Разработка технического предложения

Разработка эскизного проекта

Разработка технического проекта

Разработка конструкции деталей

Разработка геометрической конфигурации деталей

Назначение требований к точности изготовления, качеству и отклонениям формы поверхностей детали

<

Разработка рекомендаций по обеспечению заданной точности и качества поверхностей

Определение основных и вспомогательных поверхностей, конструкторских баз, простановка размеров

<

Разработка рекомендаций по назначению технологических баз при разработке технологических процессов изготовления деталей

Разработка конструкторской документации

Технологическая подготовка производства

Разработка технологических процессов

Разработка специальных средств технологического оснащения

Временное планирование производственного процесса

Разработка технологической документации

Рис. 1. Схема взаимодействия конструкторской и технологической подготовки производства

В связи с этим первой конструкторской проектной процедурой, взаимодействующей с технологической системой, можно определить процедуру назначения конструктором требований к точности изготовления, качеству и отклонениям формы поверхностей детали. По результатам выполнения этой проектной процедуры формируются рекомендации по обеспечению заданной точности и качества поверхностей при разработке технологических процессов.

Вместе с тем в ходе рабочего проектирования при конструкторской подготовке производства осуществляется разработка рабочих чертежей для всех деталей, подлежащих изготовлению в данной производственной системе. Для каждой детали определяются форма и размеры поверхностей, расстояния между ними и их относительное и угловое положения, которые в совокупности определяют представление о геометрическом образе детали.

Между значениями отклонений размеров, расстояний, формы и относительных расположений элементов деталей существуют качественные и количественные связи. Качественные связи отражают общую закономерность в соотношениях величин отклонений, не затрагивая функциональную зависимость, имеющуюся между ними.

Количественные связи между отклонениями размеров, расстояний, формы и относительных расположений поверхностей раскрываются в процессе придания детали необходимого положения в машине или при изготовлении. Относительное положение поверхностей деталей определяется на основе учёта участия детали в работе узла совокупностями исполнительных поверхностей, совокупностями свободных поверх-

ностей, комплектами основных и вспомогательных баз. В зависимости от функций, выполняемых деталью в машине, могут быть самые различные варианты увязки относительного положения комплектов баз как координатных систем. Именно здесь проявляется функциональная связь между значениями этих показателей и процессом изготовления деталей. Так, при случайном выборе из двух или нескольких равнозначных с точки зрения конструктора вариантов простановки размеров в ходе технологического проектирования может быть выявлен вариант, при котором не соблюдаются фундаментальные принципы совмещения и постоянства баз, что приведёт к дополнительному ужесточению допусков размеров и к необходимости разработки и реализации лишних технологических переходов или операций.

Следовательно, в качестве второй взаимодействующей проектной процедуры определим процедуру выбора вариантов простановки размеров при задании относительного положения поверхностей деталей. При выполнении этой процедуры из технологической системы получается информация о прогнозируемой структуре технологических процессов и технологических операций. По результатам выполнения процедуры формируются рекомендации по назначению технологических баз при разработке технологических процессов.

Далее следует определить, каким образом конструктор сможет получать информацию из технологической системы предприятия. Существующие САМ/САРР системы не могут предоставить информацию о технологических возможностях и текущем состоянии производственной системы, в которой они используются.

В настоящее время в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. разрабатывается система автоматизированного планирования многономенклатурных технологических процессов (САПМТП) [3-5], главными инновационными аспектами создания которой являются:

1) проектирование технологических процессов (ТП) механической обработки ориентировано на конкретную производственную систему для обеспечения возможности рационального использования её ресурсов;

2) подсистема проектирования технологических процессов механической обработки имеет связь с подсистемой реализации для обеспечения возможности быстрой адаптации к изменениям производственной ситуации;

3) создание технологии механической обработки каждой детали проводится с учётом всей запланированной номенклатуры деталей, что позволит принимать решения по рациональному использованию технологических возможностей производственной системы;

4) разработка технологических процессов механической обработки ведётся в автоматическом режиме для сокращения затрат времени и повышения качества проектных решений.

В САПМТП предлагается параллельное проектирование ТП для всех запланированных деталей. При этом наличие связи между подсистемами проектирования и реализации ТП позволяет корректировать технологию с учётом изменений в производственной системе.

САПМТП представляет собой многоуровневую иерархическую систему и состоит из двух страт (рис. 2).

Рис. 2. Система автоматизированного планирования ТП

На страте проектирования формируется множество ТП, которые обеспечивают возможность изготовления всей номенклатуры деталей в конкретной производственной системе. На страте реализации ТП определяются показатели эффективности работы производственной системы, которые наряду с информацией об изменении производственных условий поступают в виде обратной связи на страту проектирования. При изменении производственной ситуации (отказе оборудования, выходе из строя инструмента или оснастки, изменении номенклатуры деталей), из ранее сформированного множества ТП выбираются варианты, соответствующие действующим производственным условиям.

Конструкторская подготовка производства

Назначение требований к точности

изготовления, качеству и отклонениям формы поверхностей детали

База данных по технологическим возможностям оборудования

Определение основных и вспомогательных поверхностей, конструкторских баз, простановка размеров

Конструкторская документация

Рекомендации по обеспечению заданной точности и качества поверхностей

Рекомендации по назначению технологических баз при разработке ТП

Система автоматизированного

планирования многономенклатурных технологических процессов

л

Технологическая документация

Рис. 3. Схема информационных взаимодействий в конструкторско-технологической САПР

В ходе создания САПМТП формируется её информационное обеспечение, включающее базу данных по технологическим возможностям оборудования и базу данных технологической оснастки для операций механической обработки. Структура этих баз данных спроектирована таким образом, что она отражает связи между технологическим способами получения параметров деталей и конкретными возможностями технологического оборудования и оснастки. Информация постоянно поддерживается в актуальном состоянии, благодаря наличию связи с подсистемой реализации технологических процессов.

На основании вышеизложенного можно сформировать схему информационных взаимодействий между этапами конструкторской подготовки производства и системой автоматизированного планирования многономенклатурных технологических процессов (рис. 3), в которой определены места взаимодействия и конкретные блоки конструкторско-технологической системы автоматизированного проектирования (САПР).

Конструкторская часть этой системы получает информацию о технологических возможностях и текущем состоянии [6] производственной системы, на основе которой формируются рекомендации для конструктора по:

1) назначению требований к точности, качеству и отклонениям формы поверхностей детали;

2) определению основных и вспомогательных поверхностей, конструкторских баз, простановке размеров.

По результатам выполнения этих проектных процедур в САПМТП поступает информация с рекомендациями по:

1) обеспечению заданной точности и качества поверхностей, что влияет, в том числе, на выбор режущего инструмента [7];

3) выбору технологических баз при разработке ТП, что определяет стратегию обработки, структуру ТП и технологических операций [8].

Таким образом, разработка механизмов взаимодействия между конструктором и конкретной технологической системой даёт возможность конструктору получить рекомендации по простановке размеров и назначению требований к точности, качеству и отклонениям формы и расположения поверхностей деталей. Учёт полученных рекомендаций позволит рационально использовать технологические возможности конкретной производственной системы, сократить затраты времени на конструкторско-технологическую подготовку производства и уменьшить себестоимость изготовления деталей.

Фрагмент информационной модели производственного процесса изготовления детали-представителя «Переходная втулка»

Наименование группы деталей Втулка переходная коническая

Наименование и код детали-представителя Втулка переходная

Приведенная программа выпуска, шт/год 590

Размер партии запуска п, шт 118

Наименование подсистемы Наименование технол. передела Операция Кол-во одновременно об-рабатыв. заготовок, шт. Цех/участок Код базового элемента ПС Код альтернативного элемента ПС Коэффициентт закреплен. операций

Наименование Код Трудоемкость, штучное время, ч Подготовит.-заключ. время, ч. Наимен. Код

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Транспорт. Перемещение Транспортная (межцеховая) 105 0,7 — — Транспортный 24 4.С.1 — -

Складская. Обработка резанием Хранение 110 6 — — Механич. № 4 4.С.2

Складская. Обработка резанием/ Накопление 115 3 — — Механич. № 4 4.Р.2

Технологич. Обработка резанием Токарно-револьверная 120 0,05 0,23 1 Механич. № 4 4.Т.2 32

Токарно-револьверная Механич. № 4 4.Т.28 32

Токарно-револьверная Механич. № 4 4.Т.31 32

Токарная с ЧПУ Механич. № 4 4.Т.32 38

Транспорт. Обработка резанием Транспортная 125 0,1 — 20 Механич. № 4 4.С.3

Складская. Обработка резанием Накопление 130 1 — — Механич. № 4 4.Р.3

Технологич. Обработка резанием Токарно-автоматная 135 0,07 0,42 1 Механич. № 4 4.Т.3 25

4.Т.5 25

4.Т.6 25

4.Т.7 25

Транспорт. Обработка резанием Транспортная 140 0,1 — - Механич. № 4 4.Р.4

Технологич. Обработка резанием Вертикально-сверлильная 145 0,01 0,2 1 Механич. № 4 4.С.4 35

4.С.12 35

Складская. Обработка резанием Накопление 150 1 — - Механич. № 4 4.Р.5

Технологич. Обработка резанием Автоматно-токарная 155 0,04 0,42 1 Механич. № 4 4.Т.5 25

4.Т.3 25

4.Т.6 25

4.Т.7 25

Окончание таблицы

Транспорт. Обработка резанием Транспортная 160 0,1 — - Механич. № 4 4.С.6

Складская. Обработка резанием Накопление 165 1 — - Механич. № 4 4.Р.6

Технологии. Обработка резанием Автоматно-токарная 170 0,09 0,42 1 Механич. № 4 4.Т.6 25

4.Т.3 25

4.Т.5 25

4.Т.7 25

Транспорт. Обработка резанием Транспортная 180 0,1 — - Механич. № 4 4.С.2

Складская Обработка резанием Накопление 190 3 — - Механич. № 4 4.Р.2

Технологич. Обработка резанием Токарно-револьверная 195 0,02 0,23 1 Механич. № 4 4.Т.2 32

Токарно-револьверная 4.Т.28 32

Токарно-револьверная 4.Т.31 32

Токарная с ЧПУ 4.Т.32 38

Транспорт. Обработка резанием Транспортная 200 0,1 — - Механич. № 4 4.Т.7

Складская Обработка резанием Накопление 205 1 — - Механич. № 4 4.Р.7

Технологич Обработка резанием Автоматно-токарная 210 0,03 0,42 1 Механич. № 4 4.Т.7 25

4.Т.3 25

4.Т.6 25

4.Т.7 25

Транспорт. Обработка резанием Транспортная 215 0,1 — - Транспортный 24 4.С.1

ЛИТЕРАТУРА

1. Безъязычный В.Ф. Исследование путей повышения производительности при различных типах производства / В.Ф. Безъязычный, А.Н. Рябов // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева. 2012. № 2 (23). С. 148-152.

2. Митин С. Г. Разработка технологических операций с учетом показателя технологичности в системе планирования многономенклатурных технологических процессов / С.Г. Митин, П.Ю. Бочка-рёв, Л.Г. Бокова // Вестник СГТУ. 2011. № 58. С. 101-105.

3. Бочкарёв П.Ю. Системное представление планирования технологических процессов механообработки / П.Ю. Бочкарёв // Технология машиностроения. 2002. №1. С. 10-14.

4. Митин С.Г. Автоматизированное проектирование операций фрезерования при многономенклатурном производстве / С.Г. Митин, П.Ю. Бочкарёв // Машины, технологии, материалы 2013: X Международный конгресс, 18-20 сентября 2013. Варна, Болгария, 2013. Т. 2. С. 23-26.

5. Бочкарёв П.Ю. Проектирование технологических операций механообработки в системе планирования технологических процессов / П.Ю. Бочкарёв, В.В. Шалунов, Л.Г. Бокова // Вестник СГТУ. 2009. Т. 3. № 1. С. 46-54.

6. Бровкова М.Б. Обоснование и разработка алгоритма идентификации качества динамических процессов при резании / М.Б. Бровкова, В.В. Мартынов, С.В. Свиридов // Вестник СГТУ. 2012. Т. 4. № 1 (68). С. 118-125.

7. Митин С.Г. Формирование рационального комплекта режущего инструмента с применением аппарата динамического программирования / С.Г. Митин, П.Ю. Бочкарев // СТИН. 2012. № 6.

8. Митин С.Г. Генерация возможных вариантов структур технологических операций с применением аппарата теории графов / С.Г. Митин, П.Ю. Бочкарёв // Технология машиностроения. 2012.

С. 20-24.

№ 4. С. 69-73.

Митин Сергей Геннадьевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Проектирование технических и технологических комплексов» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Sergei G. Mitin -

Ph.D., Associate Professor

Department of Technical and Technological

Systems Design,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Бочкарёв Пётр Юрьевич -

доктор технических наук, профессор кафедры «Проектирование технических и технологических комплексов» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Pyotr Yu. Bochkarev -

Dr. Sc., Professor

Department of Technical and Technological Systems Design,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 11.03.14, принята к опубликованию 15.05.14