Методы автоматизированного проектирования технологических процессов

Используются методы адресации и синтеза.

Метод адресации основан на использовании готовых, разработанных ранее технологических процессов для создания новых ТП путем их модификации.

Метод синтеза не предполагает использования готовых технологических процессов и заключается в разработке новых ТП с использованием отдельных технологических решений.

ГОСТ 13.301-83 устанавливает три вида технологических процессов: единичный, типовой и групповой.

Единичный ТП – ТП изготовления или ремонта изделия одного наименования, типоразмера и исполнения.

Типовой ТП – ТП изготовления группы изделий с общими конструктивными признаками.

Групповой ТП – ТП изготовления группы изделий с общими технологическими признаками.

Унифицированный ТП – ТП, относящийся к группе изделий, характеризующийся общностью конструктивных и технологических признаков (типовой или групповой).

Автоматизированное проектирование ТП методом адресации

Этот метод основан на принципе унификации изделий и ТП их изготовления. При этом состав и структура разрабатываемого ТП определяется на базе унифицированного ТП последовательным уточнением решений. Поэтому использование таких САПР ТП включает два основных этапа:

• создание базы данных индивидуальных и унифицированных ТП;

• выбор из базы данных подходящих индивидуальных или унифицированных ТП и формирование на их основе проектируемых ТП.

Укрупненный алгоритм разработки ТП методом адресации представлен на рис.

На этапе создания базы данных выполняются следующие действия:

• изделия группируются по конструкторско-технологическим признакам (с помощью систем классификации и кодирования ЕСКД и «Технологического классификатора деталей машиностроения и приборостроения);

• для каждой группы разрабатывается комплексное изделие, конструкция которого должна содержать все элементы изделий группы, подлежащие обработке. Комплексное изделие может быть одним из изделий группы или искусственно созданным изделием (условным);

• для комплексного изделия разрабатывается унифицированный (например, групповой или типовой) ТП;

• унифицированные ТП заносятся в базу данных САПР ТП.

На этапе формирования разрабатываемых ТП:

• осуществляется классификация и кодирование изделия по конструкторско-технологическим признакам;

• с помощью полученного кода (адреса) осуществляется поиск и извлечение из базы данных индивидуального или унифицированного (если отсутствует индивидуальный) ТП;

• осуществляется модификация (редактирование) унифицированного ТП, в результате чего разрабатывается проектируемый ТП.

Использование метода полного заимствования возможно в том случае, когда искомый ТП является единичным, то есть разработан ранее и хранится в базе данных. Задача заключается только лишь в нахождении его, что осуществляется с помощью поискового предписания - кода детали, для изготовления которой разрабатывается ТП. Код детали присваивается с помощью системы классификации и кодирования деталей. Блок-схема алгоритма этого метода представлена на рис.

Метод заимствования с параметрической настройкой заключается в поиске разработанного ранее технологического процесса с дальнейшим изменением (редактированием) его параметров (размерных, моделей оборудования, инструментов, приспособлений и др.). При этом структура заимствованного ТП (состав и последовательность операций и переходов) остается неизменной.

Метод заимствования со структурной и параметрической настройкой предполагает нахождение унифицированного технологического процесса с дальнейшим изменением его структуры и настройкой его параметров. Причем при редактировании структуры ТП возможно лишь исключение элементов ТП (операций и переходов) без их перестановки. Для реализации метода адресации необходимо иметь развитую информационно-поисковую систему, поисковые описания в которой основываются на системе классификации и кодирования изделий и технологических процессов.

Автоматизированное проектирование ТП методом синтеза

При проектировании методом синтеза отсутствуют разработанные ранее ТП (индивидуальные или унифицированные). Использование этого метода предполагает синтез ТП из отдельных составляющих – фрагментов и элементов ТП.

Метод синтеза с использованием фрагментов унифицированных ТП (аналогов) основан на формировании нового индивидуального ТП из структурных фрагментов ТП-аналогов. При этом ни один ТП-аналог не может быть единственным прототипом проектируемого ТП. Сущность метода состоит в том, что в ТП-аналогах выделяют такие части (фрагменты), которые можно использовать в проектируемом ТП. Причем каждый фрагмент должен состоять из непрерывающейся последовательности элементов ТП-аналога и содержать не менее двух элементов. Например, если ТП-аналог включает операции:

ТП=(О1,О2,О3,О4,О5,О6,О7),

где Оi-операция, то:

О2,О3,О4 и О4,О5-фрагменты, но О2,О4,О5-не фрагмент, т.к. прерывается последовательность операций.

Правила объединения фрагментов, чаще всего, основаны на совпадении первого элементов фрагментов. Например, фрагмент Фl присоединяет фрагмент Фm, если последний элемент фрагмента Фl совпадает с первым элементом фрагмента Фm. Очевидно, что в базе данных ТП таких фрагментов для каждого случая может быть несколько. Поэтому в системе автоматизированного проектирования должна быть поисковая процедура, обеспечивающая ранжирование фрагментов по степени близости к исходному ТП.

Метод синтеза с использованием элементов ТП основан на том, что элементы технологических процессов получены на этапе унификации ТП и хранятся в базе данных "Унифицированные элементы ТП". В процессе проектирования технолог с помощью информационно-поисковой системы отыскивает в базе данных подходящие элементы ТП и формирует из них проектируемый ТП.

Метод синтеза без аналогов основан на использовании логических правил и аналитических зависимостей между данными об изделии и возможными составами технологических процессов его изготовления, установленными в процессе создания САПР. Исходными данными при этом являются характеристики из рабочего чертежа изделия. Этот метод позволяет максимально автоматизировать процесс проектирования ТП, однако, в связи со сложностью формализации, используется только для узко специализированных областей.

Выбор рационального варианта ТП

Выбор рационального варианта ТП - это задача оптимизации ТП, которая является многовариантной. Постановка задачи оптимизации ТП заключается в следующем:

• устанавливается критерий оптимальности ТП (например: минимальная себестоимость, максимальная производительность, наибольшая загрузка оборудования и др. или одновременно несколько критериев при многокритериальной оптимизации);

• определяется множество параметров X=(x1,x2,...,xn), оказывающих основное влияние на эффективность ТП в соответствии с выбранным критерием;

• разрабатывается целевая функция F=F(X) (например, если в качестве критерия оптимальности выбрана минимальная себестоимость ТП, то целевой функцией должна быть зависимость себестоимости ТП от его параметров);

• решается задача оптимизации, заключающаяся в нахождении экстремума целевой функции, в результате чего находится один из возможных ТП, параметры которого доставляют экстремум целевой функции (например, если критерием оптимальности является минимум себестоимости, то для каждого технологического процесса рассчитывается значение целевой функции, определяется ее минимальное значение и соответствующий технологический процесс).

В настоящее время принято рассматривать структурную и параметрическую оптимизацию.

Структурной называют оптимизацию, связанную с выбором структуры ТП. Структурная оптимизация очень плохо поддается формализации. Поэтому в настоящее время решение этой задачи осуществляется, в основном, путем сокращения вариантности ТП за счет:

• унификации технологических решений;

• вмешательства проектировщика в процесс автоматизированного проектирования для направленного поиска рационального варианта ТП.

Параметрической называют оптимизацию, связанную с изменением параметров ТП при заданной структуре (например, определение рационального состава используемого оборудования, инструментов, оптимальных режимов резания и др.). Для параметрической оптимизации применяются методы линейного и нелинейного программирования.

Методы оптимизации – используются для определения наиболее рационального варианта решения задачи из возможных вариантов. Это задача поиска экстремума целевой функции F(X) путем варьирования проектных параметров X в пределах допустимой области:

extr F(X) ,

XDx

где F(X) – целевая функция;

X – вектор управляемых (проектных) переменных;

Dx – допустимая область изменения X.

Выбор критерия эффективности осуществляется индивидуально в соответствии с конкретными условиями. Оптимизация может быть по одному и нескольким критериям (многокритериальная оптимизация).

При многокритериальной оптимизации одновременно учитываются несколько критериев. Создается компромиссный критерий, в котором учитываются одновременно несколько выбранных критериев E₁, E₂, ..., E_r (E_i-локальные критерии).

Для каждого E_i решается задача оптимизации и вычисляются их экстремальные значения E_i^* (i=1,2,...,r).

Записываются уравнения отклонений каждого критерия от оптимального значения:

Q_i= E_i - E_i^*

Для каждого критерия определяются весовые коэффициенты _i (0_i1 и _i=1. Записывается компромиссный критерий с помощью аддитивной функции свертки:

Q =  Q_i _i

после чего решается задача оптимизации.

Методы решения задач оптимизации: аналитические, имитационные, аналитико-имитационные.

Аналитические методы используют аппарат математического программирования. Находится целевая функция: F=F(x₁,x₂,...,x_n), где x₁,x₂,...,x_n – переменные. Графическая интерпретация: если одна переменная – 2D, две переменных – 3D.

Применяется 14 методов оптимизации: общий поиск, деления интервала пополам, дихотомии, золотого сечения, Фиббоначи, покоординатного подъема, исключения областей, случайного поиска, градиентный, Флетчера-Ривса, Дэвидона-Флетчера-Пауэлла, конфигураций Хука-Дживса, Розенбока, симплекс-метод.

Имитационные методы используются для создания имитационной модели технологического процесса и экспериментирования с ней в условиях реальных ограничений с целью выбора удовлетворяющего варианта ТП, обеспечивающего достижение заданного критерия оптимизации. Используется теория и системы массового обслуживания. Для моделирования разработаны специальные языки программирования: Симскрипт, Симула, GPSS.

Аналитико-имитационные методы объединяют рассмотренные методы.

Математические модели, используемые в САПР ТП

В САПР ТП используется три основных вида математических моделей: табличная, сетевая, перестановочная.

Табличная модель описывает одну конкретную структуру технологического процесса, то есть каждому набору условий (например, поверхностей детали) соответствует единственный вариант технологического процесcа. Поэтому табличные модели чаще всего используют для поиска стандартных (унифицированных) или готовых технологических решений. Рассмотрим пример разработки табличной модели. Набор свойств, характеризующих детали, входящие в одну классификационную группировку:

F(A₁)=F₁, F₂, F₃, F₄, F₅, F₆, F₇

F(A₂)=F₁, F₃, F₄, F₅, F₇

F(A₃)=F₁, F₃, F₅, F₇

Обозначим операторы, соответствующие обработке каждой из поверхностей:

P₁ – подрезка торца F₁;

P₂ – точение наружной цилиндрической поверхности F₂;

P₃ – точение наружной цилиндрической поверхности F₃;

P₄ – точение наружной цилиндрической поверхности F₄;

P₅ – сверление отверстия F₅;

P₆ – зенкерование отверстия F₆;

P₇ – отрезка по поверхности F₇.

Тогда табличная модель для деталей этой группы определяется таблицей:

	F(A1)	F(A2)	F(A3)
P1	1	1	1
P2	1	0	0
P3	1	1	1
P4	1	1	0
P5	1	1	1
P6	1	0	0
P7	1	1	1

С етевые модели устанавливают несколько возможных вариантов проектируемого технологического процесса, что позволяет оптимизировать принимаемые технологические решения и выбирать из них наиболее рациональные. Рассмотрим пример разработки сетевой модели для обработки зубчатого колеса, имеющего следующие группы поверхностей:

Для изготовления может быть использован следующий набор операций:

О₁₁ – получение заготовки без отверстия;

О₁₂ – получение заготовки с отверстием;

О₂₁ - сверление отверстия;

О₂₂ - растачивание отверстия;

О₂₃ – протягивание отверстия;

О₃ – черновое обтачивание наружных поверхностей;

О₄ – чистовое обтачивание наружных поверхностей;

О₅₁ – нарезка зубьев методом обкатки;

О₅₂ –нарезка зубьев методом копирования;

О₆ – термообработка;

О₇ – шлифование отверстия;

О₈ – шлифование зубчатого профиля;

О₉ – притирка зубчатого профиля;

О₁₀ – мойка;

О₁₁ – контроль.

Таблица, определяющая соответствие между обрабатываемыми поверхностями и технологическими операциями будет иметь вид:

	F1	F2	F3
O1	1	1
O21	1
O22	1
O23	1
O3		1
O4		1
O51			1
O52			1
O6	1	1	1
O7	1
O8		1
O9		1
O10	1	1	1
O11	1	1	1

Создание сетевой модели заключается в разработке графа взаимосвязи технологических операторов по возможным последовательностям их реализации. Вершины графа соответствуют операторам технологического процесса, а дуги (ребра) - последовательности их выполнения:

Такая модель позволяет рассмотреть несколько возможных вариантов технологического процесса и выбрать из них более рациональный по какому-либо критерию, т.е. в этом случае имеется возможность оптимизации технологического процесса.

В отличие от сетевых, в перестановочных моделях изменяется порядок следования элементов ТП. Рассмотрим пример создания перестановочной модели ТП сборки:

1 - вал;

2 - левое стопорное кольцо;

3 - левый подшипник;

4 - зубчатое колесо;

5 - распорная втулка;

6 - правый подшипник;

7 - правое стопорное кольцо.

Основные элементы технологического процесса сборки:

Р1 - установка вала в сборочном приспособлении;

Р2 – установка левого стопорного кольца;

Р3 – установка левого подшипника;

Р4 – установка зубчатого колеса;

Р5 – установка распорной втулки;

Р6 – установка правого подшипника;

Р7 – установка правого стопорного кольца.

Тогда 3 варианта сборки (из 10 возможных) могут быть представлены в виде графов:

Определение средств технологического обеспечения ТП в САПР ТП

После выбора структуры следующим этапом разработки ТП является определение его параметров, которыми являются размерные значения и средства технологического обеспечения. В банке данных предприятия должна быть вся информация о технологических возможностях этого предприятия, так называемая, производственная модель предприятия:

{Oi} - множество реализуемых операций;

{Qi} - множество моделей оборудования;

{Рi} - множество режущих инструментов;

{Иi} - множество мерительных инструментов;

{Пi} – множество используемых приспособлений и др.

Задача автоматизированного нахождения средств технологического оснащения для конкретных ТП решается с помощью таблицы (набора таблиц) соответствия:

Тип пов-ти

Точность

Шерохов.

...

П

В

Ф

З

6

7

8

9

1

2

3

4

Операции

Т

+

+

+

+

+

+

+

Ф

+

+

+

+

+

+

+

С

+

+

+

+

+

З

+

+

+

+

+

Ш

+

+

+

+

+

+

Оборуд.

Т

+

+

+

+

+

+

+

Ф

+

+

+

+

+

+

+

С

+

+

+

Ш

+

+

+

+

+

+

Оснастка

П

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Т

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

О

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Инстр.

Р

+

+

+

+

+

+

С

+

+

+

+

+

Ф

+

+

+

+

+

+

+

..

..