Конструкторско-технологическое моделирование в условиях мелкосерийного машиностроительного производства

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ МЕЛКОСЕРИЙНОГО МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО

ПРОИЗВОДСТВА

А.Р. Денисов

В статье приводятся результаты сравнительного анализа основных подходов к формированию конструк-торско-технологических моделей, на основании которого определяются принципы конструкторско-технологического моделирования для условий мелкосерийного машиностроительного производства, а также структура интегрированной САПР для осуществления такого проектирования.

Введение

В современных условиях для промышленных предприятий остро стоит вопрос сокращения сроков конструкторско-технологической подготовки производства. Одним из наиболее популярных методов решения этой задачи является внедрение интегрированной САПР. Для условий мелкосерийного машиностроения такую САПР целесообразно создавать путем интеграции в единый программный комплекс систем низкого уровня («легких САПР»), например, T-Flex CAD 3D (конструкторское проектирование) и T-Flex Технология (технологическое проектирование), компании «Топ Системы». Подобные САПР предоставляют достаточный набор инструментов для решения задач проектирования в мелкосерийном машиностроительном производстве и при этом обладают наименьшей стоимостью одного рабочего места.

Основным недостатком такого подхода является возникновение временных потерь при передаче данных из одной системы в другую [1], которые можно минимизировать путем внедрения принципов конструкторско-технологического моделирования методом унификации конструкторско-технологических элементов (КТЭ) [2]. Но на сегодняшний момент не существует однозначного понимания того, как должно проходить такое моделирование. Это ведет к тому, что в последних разработках в этой области, например, в [3-6], в основном повторяется то, что было сделано ранее в 70-80 г.г. прошлого века [2, 7, 8]. Однако такие попытки внедрить конструкторско-технологи-ческое моделирование в условия машиностроительного производства потерпели неудачу, что отчасти было связано с низким уровнем развития вычислительной техники и информационных технологий (например, отсутствие 3D-графики), а также с системными просчетами при определении принципов проектирования. Избежать повторения ситуации можно путем выявления достоинств и недостатков методов конструкторско-технологического моделирования, для чего был проведен их сравнительный анализ.

Результаты сравнительного анализа методов конструкторско-технологического

моделирования

Проведенный анализ методов конструкторско-технологического моделирования показал, что каждый из них использует один из четырех подходов к решению этой задачи, которые условно можно обозначить следующим образом: классификатор ЕСКД [9], языки на основе ЕСТПП ГОСТ 14.417-81 [2, 4, 5, 7, 8], модульное проектирование [3, 6], прикладной протокол AP224 стандарта STEP ISO-10303 [10].

Базовым КТЭ в ЕСКД является само изделие, т.е. конструкторско-технологическая модель (КТМ) объекта производства представляет собой классификационный код ЕСКД. Такой код не дает полного представления ни о конструкторской модели, ни о технологическом процессе (ТП) изготовления объекта производства, од-

нако по нему определяется функциональное назначение детали, что в дальнейшем позволит выделить в ее структуре наиболее важные КТЭ и функциональные связи между ними.

Базовым стандартом для второго подхода является ГОСТ 14.417-81 ЕСТПП [8], в основе которого лежит язык ФТЯ-ВХ [7]. В этом языке в качестве КТЭ используются конструктивные элементы, которые могут объединяться в комплексы с использованием размерных связей и связей отношения. Таким образом, КТМ представляет собой сетевой граф, где КТЭ выступают в качестве конечных вершин, а начальные и промежуточные вершины являются комплексами элементов. На современном этапе такой подход к формированию КТМ был реализован в САПР ТП «Вертикаль» [4]. Основным недостатком подхода является невозможность определения функциональных связей между элементами.

При использовании модульной технологии КТМ представляют в виде совокупности модулей поверхностей (МП), каждому из которых ставятся в соответствие модули технологического процесса изготовления, представляющие собой описание технологических переходов одного установа технологической операции (ТО). Все МП распределены по трем классам: рабочие (функциональные), базирующие и специальные (вспомогательные). Это позволяет при определении последовательности обработки МП, учитывать функциональное назначение элементарных поверхностей детали, и тем самым минимизировать погрешность их изготовления. Несмотря на то, что данный подход не регламентируется ни одним стандартом, модульное проектирование большинством специалистов признается стандартом конструкторско-технологического моделирования «де-факто».

AP224 является международным стандартом и входит в группу томов стандарта STEP ISO-10303. Он регламентирует язык конструкторско-технологического моделирования на основе унификации конструктивных элементов. AP224 имеет двухуровневую классификацию КТЭ. На верхнем уровне определяются классы КТЭ (поверхности вращения, пазы, бобышки и т.п.), а на нижнем уровне - типы КТЭ. Если набор классов является фиксированным, то для определения типов КТЭ используются специальные элементы, в качестве которых выступают различные профили, направляющие и концевые элементы. Использование профилей позволяет предприятию вводить собственные КТЭ в пределах одного класса, что делает методику, предлагаемую AP224, более гибкой. Однако метод имеет три существенных недостатка:

1) невозможность определения функциональных связей между КТЭ;

2) несоответствие технологического описания AP224 и российских ГОСТов;

3) высокая сложность кодирования КТМ и ручного (без ЭВМ) восприятия сформированных моделей.

Проведенный сравнительный анализ показал, что наиболее «продуманным» является метод модульного проектирования, однако его недостатки ограничивают область применения среднесерийным производством. В условиях же мелкосерийного производства единственным возможным методом формирования КТМ остается проектирование на основе унификации конструктивных элементов. При этом от такого метода требуется:

• учет функциональных связей между КТЭ. Решить эту проблему можно через использование классификатора ЕСКД, где каждая группа деталей определяет набор таких связей;

• наличие удобного для проектировщика интерфейса при формировании КТМ;

• возможность быстрой адаптации существующих классификаторов (деталей и КТЭ) под условия предприятия с использованием удобного для проектировщика интерфейса;

возможность автоматической генерации обменного файла АР 224 с описанием сформированных КТМ. Это условие необходимо при работе с иностранными партнерами.

Структура интегрированной САПР

При создании интегрированной САПР, использующей принципы конструкторско-технологического моделирования, в ее состав вводятся специальные модули, предназначенные для формирования КТМ, автоматизированного синтеза конструкторской и технологической моделей и передачи их в соответствующие «легкие» САПР посредством, например, '^пАР1 интерфейса, обменных файлов или запросов к серверу данных САПР. В виде компонентной диаграммы структура интегрированной САПР будет иметь вид (рис. 1).

Рис. 1. Компонентная модель системы конструкторско-технологического

проектирования

Синтез КТМ осуществляется в среде модуля «КТМ-геометрия» с использованием базы КТЭ, которая должна быть сформирована, исходя из потребностей предприятия. Впоследствии, при изменении номенклатуры выпускаемых изделий, база данных может быть дополнена.

При формировании КТМ в первую очередь вводится код детали по классификатору ЕСКД. Это позволяет определить функциональное назначение детали и, соответственно, рабочие поверхности в КТМ [6] и функциональные связи между ними. Таким образом, формируется первичный граф связей, который в дальнейшем необходимо дополнить базирующими и вспомогательными КТЭ. На основе полученной модели можно осуществлять технологическое проектирование (необходимое условие), однако для автоматизированного формирования конструкторской документации, а также для уменьшения числа вариантов ТП, необходимо определить связи между всеми КТЭ-

моделями (достаточное условие). При этом в первую очередь необходимо сформировать граф отношений КТЭ, а потом, если необходимо, дополнить его недостающими размерными связями, например, допусками на взаимное расположение поверхностей.

Важным этапом конструкторского проектирования является автоматизированное формирование ЭБ-модели детали. Автоматизированный синтез ЭБ-модели также осуществляется при помощи модуля «КТМ-геометрия» и затем передается в САО-систему. Качество получаемой модели напрямую зависит от полноты КТМ: в случае однозначного указания пространственного расположения КТЭ ЭБ-модель будет сформирована автоматически, в противном случае - потребуется ее доработка.

Дальнейшее оформление конструкторской документации осуществляется параллельно технологическому проектированию, что позволяет сократить сроки освоения новой продукции.

При выполнении технологического проектирования может быть использован любой из известных методов: на основе детали аналога, типовой, групповой и единичный методы. Если при реализации первых двух методов достаточно найти в базе данных соответствующий ТП и скорректировать его для конкретной детали, то при проектировании единичного и группового ТП предварительно необходимо синтезировать маршрут обработки. Синтез маршрута обработки осуществляется в среде модулей «КТМ-геометрия» и «Группирование».

Модуль «КТМ-технология» предназначен для автоматического синтеза графа ТП изготовления деталей по алгоритму, входными данными для которого являются КТМ детали и количество деталей в партии. В основе алгоритма лежит задача определения последовательности установов, необходимых для изготовления каждой КТЭ-детали. Для этого каждому типу КТЭ ставится в соответствие дерево установов, корнем которого является формируемый КТЭ, а листьями - КТЭ, присутствующие на заготовке (рис. 2).

КТЭ на заготовке Рис. 2. Структура дерева обработки КТЭ

В качестве промежуточных вершин выступают КТЭ, полученные на промежуточных этапах, а в качестве ребер - выполняемые установы. Дополнительно каждому ус-танову ставится в соответствие набор правил, определяющих возможность его применения для получения конкретного КТЭ, а также правил определения вариантов базирования при выполнении установов, например, [11].

Сформированный граф ТП передается в модуль «Группирование», предназначенный для решения следующих задач:

• автоматизированного синтеза операционного описания ТП изготовления изделия на производственных линиях, существующих на предприятии, и передачи его в САПР-систему;

• группирования изделий для их совместного изготовления на многономенклатурных производственных линиях;

• нормирования времени изготовления изделий, в том числе и для условий их изготовления на многономенклатурных производственных линиях;

• планирования загрузки производственных линий при изготовлении заданных объемов выпуска.

Заключение

В ходе исследования:

• проведен сравнительный анализ методов конструкторско-технологического моделирования и выявлено, что в условиях мелкосерийного машиностроительного производства целесообразно использовать формирование КТМ на основе унификации конструктивных элементов;

• определены требования, предъявляемые к системам конструкторско-технологического моделирования в условиях мелкосерийного машиностроительного производства;

• определена структура и назначение основных модулей интегрированной САПР.

Литература

1. Евгенев Г.Б. Системология инженерных знаний: учеб. пособие для вузов // М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 376 с.

2. Митрофанов С.П. Групповая технология машиностроительного производства. В 2-х т. Т.1. Организация группового производства. 3-е изд. перераб. и дополн. // Л.: Машиностроение, ЛО, 1983. 407c.

3. Боткин Ю.А., Голдовский П.С. Интегрированная САПР и модульное проектирование. // САПР и графика. 2005. №6. С. 45-50.

4. Андрейченко А. «Вертикаль» - новое поколение технологических САПР: объектный подход. // САПР и графика. 2005. №6. С. 30-35.

5. Беззуб А., Чилингаров К. «Старый новый» метод автоматизации проектирования техпроцессов. // САПР и графика. 2006. №6. С. 10-16.

6. Базров Б.М. Модульная технология в машиностроении. М.: Машиностроение, 2001. 368 с.

7. Цветков В.Д. Система автоматизации проектирования технологических процессов. М.: Машиностроение, 1972. 240 с.

8. ГОСТ 14.417-81. ЕСТПП. Проектирование автоматизированное. Входной язык для технологического проектирования. Язык описания детали.

9. ГОСТ 2.201-80 ЕСКД. Обозначение изделий и конструкторских документов

10. ISO 10303-224 Mechanical product definition for process plans using machining features.

11. Старостин В.Г., Лелюхин В.Е. Формализация процесса проектирования процессов обработки резанием. М.: Машиностроение, 1986. 136 с.