СОВРЕМЕННЫЙ САПР ТЕХНОЛОГА

Основные задачи САПР технолога

Переход к рыночной экономике принес с собой жесткую кон­куренцию, потребовал динамичной реакции на конъюнктуру рын­ка. В настоящее время конкурентоспособными являются только те машиностроительные предприятия, которые выпускают востребо­ванную продукцию с оптимальным соотношением цена — качест­во. Статистические данные показывают, что за последние два деся­тилетия машиностроительные заводы в несколько раз чаще стали переходить на выпуск новых, более совершенных изделий. Подан­ным, опубликованным на сайте компании Siemens, если в период с 1984 по 1992 г. ведущие автозаводы выпускали 0,9 новых моделей в год, то в 2005 г. выпуск новых моделей составил 2,5 в год.

Современные изделия становятся все более сложными. Со­ответственно, растет трудоемкость проектирования технологиче­ских процессов, которая во многих случаях в несколько раз пре­восходит трудоемкость конструирования машин. Сохранение конкурентоспособности требует ускорения всего процесса подго­товки производства. По мнению аналитиков из Global CEO Survey, 80 % рынка завоевывают первые две компании, вышедшие на рынок с новым изделием, причем 70 % стоимости продукции закладывается в процессе ее разработки. В связи с этим заводы стремятся организовать выпуск новой продукции в минимально возможные сроки.

В XX в. технологические решения по производству нового изделия формировались после завершения его конструкторской проработки: оформления чертежей и подготовки комплекта тек­стовой документации (спецификаций, ведомостей и т. п.). Разра­ботка самого продукта и технологического процесса для его про-

изводства были двумя различными этапами. С сокращением вре­мени жизни одной модели продукта и необходимостью ее адаптации к требованиям заказчиков. Эти два этапа сейчас не рассматриваются изолированно друг от друга.

Оптимизация технологических процессов на цифровом ма­кете позволяет провести подготовку производства быстрее и уст­ранить большинство проектных ошибок еще на ранних этапах, тем самым сократив затраты предприятия и повысив эффектив­ность производства.

Следует учитывать, что на сегодняшний день не существует универсальной системы, обеспечивающей без участия технолога автоматическое проектирование оптимального технологического процесса для детали произвольной формы. САПР технологичес­ких процессов (САПР ТП) призвана не заменить технолога, а об­легчить и существенно ускорить его работу.

При выпуске нового изделия САПР облегчает технологу вы­полнение следующих основных задач:

анализ технологичности формы детали;

оптимизация формы заготовки;

расчет необходимого количества материалов;

разработка технологического процесса обработки новых деталей с привязкой предлагаемых операций к имею­щимся в цехе оборудованию и рабочим местам;

выбор для различных операций оборудования, режущих и измерительных инструментов, приспособлений, осна­стки и смазочно-охлаждающих жидкостей;

• подготовка на основе конструкторского чертежа детали операционных эскизов и карт;

составление управляющих программ для станков с ЧПУ;

• расчет операционных припусков, определение режимов резания и машинного времени;

• нормирование трудоемкости технологических операций;

• разработка технологического процесса сборки как от­ дельных узлов и агрегатов, так и изделия в целом;

• выбор инструмента и стендов для сборки;

• получение полного пакета технологической документа­ ции в соответствии с требованиями ЕСТД (Единой си- темы технологической документации), ЕСТПП (Единой

ситемы технологической подготовки производства) и нормами предприятия.

САПР ТП позволяет работать как с упрощенными маршрут­ными технологиями, характерными для опытных производств и небольших предприятий, так и со сложными техпроцессами, на­считывающими сотни операций и переходов, актуальными для массового и серийного производства.

Операционные эскизы разрабатываются на основе чертежа детали и базы данных, содержащей применяемые на заводе стан­ки, приспособления, инструменты, режимы резания. В техноло­гическую документацию из штампа чертежа копируется инфор­мация о наименовании и материале заготовки. При создании эскизов используются файлы стандартных графических форма­тов (BMP, TIFF, DWG, WMF, EMF).

В настоящее время автоматизированы расчеты массы заготов­ки, норм расхода материала на деталь, коэффициента использова­ния материала для оптимизации количества необходимого мате­риала, расчеты режимов резания и норм времени для различных операций механической обработки, расчет режимов сварки. Срав­нительно быстро можно составить несколько вариантов техноло­гического процесса обработки конкретной детали и выбрать опти­мальный. Снимается рутинная часть работы.

В России для автоматизации проектирования технологичес­ких процессов механической обработки деталей на машиностро­ительных заводах разработаны различные автоматизированные системы: «Вертикаль», «Компас Автопроект», «ТехноПро Базо­вая», «T-FLEX Технология», «Adem» и др.

Технологичность изделия

При разработке конструкции изделия проектировщики стремятся максимально снизить затраты материалов и труда на его проектирование, изготовление, эксплуатацию и утилизацию. Конструктивное исполнение изделия зависит от его служебного назначения. Технологичность конструкции изделия определяет­ся его приспособленностью к достижению оптимальных затрат ресурсов при его изготовлении, ремонте и утилизации.

Отработку конструкции изделия на технологичность регла­ментируют ГОСТ 14.201-83 и Методические рекомендации 1V1P186 — 85. Она выполняется на всех стадиях разработки конст­рукторской и технологической документации изделия, при со­ставлении эскизного и технического проектов.

Технологичность изделия определяется не абсолютными пока­зателями, а оценивается путем сравнения по параметрами изделия:

сложность элементов конструкции (рис. 5.1);

трудоемкостью его изготовления;

удельная материалоемкостью изделия;

коэффициент использования материала;

наличие в изделии унифицированных деталей и сборочных единиц;

технологическая себестоимость;

удельная энергоемкость изготовления изделия;

удельная трудоемкость подготовки изделия к функцио­нированию;

коэффициент применяемости материалов;

коэффициент применения групповых и ти­повых технологических процессов;

использование материалов с хорошей обрабаты­ваемостью;

использование литейных и штамповочных уклонов, скруглений в местах резких переходов.

Значительная часть из вышеназванных параметров (тру­доемкость изготовления, удельная материалоемкость изделия, коэффициент использования Материала и т. д.) может быть рассчитана на ЭВМ в автоматизированном режиме.

Рис. 5.1. Вид детали сложной геометрической формы после конструкторско-технологической проработки

Согласно ЕСТПП требования к технологичности сборной конструкции разбиты на следующие группы:

к составу сборочной единицы;

к конструкции соединения составных частей;

к точности и методам сборки.

Необходимо учитывать, что технологичность отражает не функциональные возможности изделия, а его свойства как объ­екта производства и эксплуатации. Пренебрежение технологич­ностью конструкции машины приводит к тому, что трудоемкость, металлоемкость, а следовательно, и себестоимость машины, от­дельных ее узлов и деталей могут быть выше оптимальной.

При отработке изделия на технологичность оценивают тех­нологичность формы входящих в него деталей. Ниже приведено несколько наиболее общих рекомендаций по технологичности конструктивных форм деталей:

форма детали должна содержать стандартные и унифи­цированные конструктивные элементы;

конструкция детали должна обеспечивать возможность применения при ее изготовлении типовых технологичес­ких процессов;

обрабатываемые плоскости следует располагать на одном уровне.

Основные работы, выполняемые при проектировании технологического процесса обработки детали

Технологический процесс обработки детали содержит набор операций, переходов, инструментов, приспособлений, оснастки и станков, используемых при обработке конкретной детали. Он включает операции: заготовительные, механической и термичес­кой обработки, нанесения покрытий, слесарные и технического контроля.

Одновременный учет всех параметров, влияющих на выбор оптимального технологического процесса, представляет весьма сложную проблему. Значительные трудности встречаются при формализации таких задач, как выбор заготовки, станков, инст­рументов и т. п. для конкретного машиностроительного завода. Одной из главных характеристик производства является коэффи­циент закрепления операций — отношение числа всех технологи-

ческих операций, выполняемых в течение длительного периода времени, например — месяца или года, к числу рабочих мест.

На заводах применяют единичное, серийное или массовое производство. В единичном производстве, как правило, приме­няют универсальные станки и инструмент (коэффициент закреп­ления операций свыше 40), в серийном и массовом — высоко­производительное оборудование и специальный дорогостоящий инструмент, например протяжки.

Систематизация ранее принятых технологических решений и нормативно-справочной информации на основе анализа кон­струкции детали позволяет повысить уровень автоматизации со­ставления техпроцессов. Например, детали можно разделять делить по форме на классы: валы, втулки, диски, корпусные де­тали, некруглые стержни и т. д. Для каждого класса составляют типовой технологический процесс. Класс детали выбирается на основе действующих методик и классификаторов.

На выбор технологических операций оказывают влияние тре­бования к качеству и точности обрабатываемых поверхностей. При выборе схемы базирования учитывают возможность соблюде­ния на большинстве операций одних и тех же технологических баз. Математически задача автоматизированного составления технологического процесса сводится к разработке варианта об­работки детали, имеющей заданные геометрические размеры, вес и серийность производства, при минимальной стоимости и необходимой производительности. Как правило, можно предло­жить несколько вариантов получения заготовок, используемого для обработки оборудования, приспособлений, режущего инст­румента, которые будут отличаться по материальным, временным и трудовым затратам. Выбор оптимального варианта осуществляется на основании результатов перебора всех возможных способов получения заготовок и методов их механической обработки.

Проектирование технологического процесса обработки де­тали начинают с анализа ее геометрической формы, габаритных размеров, требований к точности и качеству обрабатываемых поверхностей. Габаритные размеры учитывают, поскольку заго­товки одинаковой геометрической формы, но с разными разме­рами обрабатываются по разной технологии. Так, технологии

Р ис. 5.2. Основные сведения о заготовке, отображаемые в САПР ТП

обработки зубчатых колес судового двигателя и наручных часов различаются. Количество изготавливаемых деталей влияет на тип производства: единичное, серийное или массовое.

При проектировании технологического процесса учитывают характеристики материала заготовки (марка, твердость, проч­ность), размеры детали, количество деталей, получаемых из одной заготовки, коэффициент использования материала, стоимость одного килограмма материала заготовки и стоимость ее изготов­ления. Определяют метод получения заготовки (литье в песчаные формы, по выплавляемым моделям, штамповка на молотах, прес­сах, на горизонтально-ковочных машинах и т. д.), цех и участок, где она будет получена. От метода получения заготовки зависят ее масса, размеры (рис. 5.2) и точность, а, следовательно — и после­дующая обработка. Область выбора метода получения заготовки существенно сужается при задании определенных критериев, например, нормы расхода металла.

САПР облегчает выбор марки материала из базы материа­лов/сортамента (рис. 5.3) и метода получения заготовки (литье, ковка, штамповка и т. д.) с учетом вида детали, автоматизирует расчет массы заготовок и норм времени на отдельные операции. При необходимости составляется технико-экономическое обос­нование методов получения заготовки. САПР позволяет рассчи­тать стоимость различных вариантов получения заготовок, нормы расхода металла, а также подготовить различные сводные и подетальные документы (ведомости).

Для установления планового количества материалов, обеспе­чения наиболее рационального и эффективного использования сырья в производстве производится нормирование их расхода для изготовления изделия. Автоматическое нормирование объектов технологического процесса для различных типов производства: единичного, серийного и массового, — выполняется по общема­шиностроительным нормативам труда. У каждого предприятия

могут быть свои нормы времени, поэтому в САПР ооычно преду­смотрена возможность корректировки норм времени.

Рис. 5.3. Редактирование сведений о заготовке в САПР TechCard

Обработка заготовки может выполняться в одном или не­скольких цехах и проектироваться различными специалистами. В маршрутной карте указывают цех, участок и вид выполняемых

работ (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Окно редактирования маршрута обработки заготовки по цехам

После составления структуры технологического процесса, технолог приступает к его детализации. При формировании мар­шрута обработки деталь разбивают на элементарные поверхнос­ти: цилиндрическая, плоская, торец, и соответственно выбирают операции механической обработки: токарная, фрезерная, резьбо­нарезная и т. д. (рис. 5.5).

Р ис. 5.5. Маршрутная карта обработки детали

В САПР «Вертикаль» (группа компаний «АСКОН») технология обработки заготовки отображается компонентами «дерево» и «сетка» (рис. 5.6). «Дерево» используется для просмотра состава и последовательности технологических операций, в «сетке» на раз­личных закладках отображаются переходы, используемая оснаст­ка, материалы, режимы обработки и т. д. Выбор определенного элемента в дереве автоматически собирает технологические пе­реходы по данному конструктивному элементу детали и выводит их на вкладке «План обработки».

Между деревьями конструкторско-технологических элемен­тов и технологических переходов существует взаимная синхрони­зация. Создание двусторонних связей между ними позволяет оп­ределить состав поверхностей, обрабатываемых на отдельных технологических операциях, список переходов, используемых для обработки каждой поверхности. В случае изменения конст­руктором размеров, допусков, шероховатостей поверхностей об­рабатываемой детали обеспечивается автоматический перерасчет отдельных параметров технологического процесса.

Рис. 5.6. Разработка технологии обработки детали в САПР «Вертикаль»

При формировании текстов переходов технолог имеет воз­можность считывать сведения о размерах, допусках и других элементах чертежа непосредственно с электронной модели, что ускоряет ввод информации и уменьшает количество ошибок (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Ввод параметров текста перехода непосредственно с электронной модели

Выбор наилучшего варианта обработки выполняется на ос­нове критерия оптимальности, в качестве которого могут высту­пать производительность процесса обработки заготовки (или от­дельной операции) или технологическая себестоимость процесса детали.

Для облегчения работы технолога в информационную базу САПР ТП включают следующие сведения:

-физико-механические свойства обрабатываемых материалов;

-перечень технологических операций согласно классифи­катору;

-типовые технологические процессы, используемые на предприятии, для деталей разных классов;

-каталоги типовых переходов;

-используемые на предприятии приспособления, режу­щие, вспомогательные и измерительные инструменты, технологическая оснастка;

-справочные данные, необходимые для заполнения пара­метров операционной технологии;

-паспортные данные оборудования и его размещение по участкам;

-таблицы и формулы для автоматизированного расчета режимов обработки и определения норм времени на переходы и операции.

В базе данных могут содержаться единые каталоги по мате­риалам, операциям, оборудованию и его размещению, а также различные каталоги по переходам, оснастке, типовым технологи-

ческим процессам и справочникам. Справочные данные, исполь­зуемые для расчета режимов резания, могут быть заменены на опытно-статистические с конкретного производства.

Трудоемкость рассчитывается на основе нормировочных таб­лиц (рис. 5.8), из которых выбирается значение штучного или подготовительно-заключительного времени. Расчет трудоемкости может производиться как самим технологом, так и специальными подразделениями, если таковые существуют на предприятии.

Рис. 5.8. Таблица трудового нормирования

При укрупненном нормировании выполняется расчет непол­ного штучного времени на различные виды механических опера­ций. Результатами расчета являются подготовительно-заключи­тельное время, сумма неполного штучного и вспомогательного времени в минутах для каждой операции.

При составлении технологического процесса работы распре­деляют по станкам, участкам и цехам. Для каждой операции за­полняются такие параметры, как код профессии, разряд станоч­ника, условия труда и т. д. В технологические карты заносятся сведения, касающиеся изготовления деталей. В них указываются материал заготовки и норма его расхода на каждую деталь, пере­чень операций и их трудоемкость, используемые инструменты, приспособления, оборудование и режимы его работы. На опытных производствах и на небольших предприятиях часто работают с упрощенными маршрутными технологиями.

На основании технологии, спроектированной в электронном виде, автоматически формируется необходимый комплект техно­логической документации различного назначения. При внесении изменений в конструкцию детали технолог и другие специалисты, делают необходимые корректировки, обеспечивающие подготовку производства с учетом этих изменений. На практике это может привести к повторному выполнению ранее сделанных работ и может занять не намного меньше времени, чем первичное проектирование.

Автоматизация решений технологических задач на эвм

Проектирование технологического процесса на заводе часто выполняет рабочая группа, включающая специалистов в области механообработки, сварки, сборки, гальваники и т. д. Эти специа­листы работают параллельно и отвечают за свой фрагмент техно­логического процесса. Наиболее широко САПР ТП применяется в различных службах, мелкосерийном и единичном производст­вах, где использование типовых и групповых технологических процессов оказывается неэффективным вследствие больших за­трат времени на проведение подготовительных работ.

Опыт использования САПР ТП показал, что полностью ав­томатизировать удается решение только некоторых формализо­ванных, сильно структурированных задач, например, расчет ре­жимов резания и норм времени, расчет припусков, погрешностей обработки и т. п. В области механообработки целесообразно ис­пользовать режим диалога для решения сложных, неформализо­ванных, слабоструктурированных задач: выбор технологических баз, порядок их смены, синтез инструментальных наладок для многопозиционных металлорежущих станков, пространственная компоновка инструментальных наладок.

Разработка технологии обработки деталей сложной геометри­ческой формы, как правило, выполняется в интерактивном поша­говом режиме. Степень автоматизации зависит от используемой исходной информации. Минимальная автоматизация имеет место в тех случаях, когда технолог сам вводит исходные данные и со­ставляет технологию в диалоговом режиме. Максимальная автома­тизация обеспечивается при получении исходной информации из базы данных, используемой конструкторскими подразделениями и генерации техпроцесса в автоматическом режиме.

Современные САПРТП позволяют моделировать технологи­ческий процесс и результаты обработки. Любая ранее созданная технология может быть повторно загружена и отредактирована. Фотореалистическое изображение обработанной поверхности

позволяет технологу оперативно проконтролировать его результаты работы и своевременно обнаружить ошибки. На экране компью­тера отображаются границы заготовки, зоны оброботки, снимае­мый припуск, а также для задания траектории перемещения инст­румента на различных операциях.

Применение САПР ТП приводит к снижению себестоимости и трудоемкости обработки деталей, увеличению коэффициента за­грузки оборудования и улучшению качества деталей и делает рен­табельным использование дорогостоящего оборудование с ЧПУ в мелкосерийном и единичном производстве. С планированием производственных процессов тесно связаны вопросы, расчет тру­доемкости и плановой себестоимости деталей изделия (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Расчет САПР плановой себестоимости изготовления деталей

При составлении программы САПР можно использовать ие­рархические и логические связи. Например, иерархические связи могут отражать принадлежность деталей к сборочной единице,

логические связи - связь технологической оснастки с заготовкой, для изготовления которой она предназначена, и т. п. Объекты и связи задаются пользователем и описываются набором ха­рактеристик.