автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Автоматизация проектирования универсально-сборных приспособлений

005019678

На пшвахрукописи

Серков Евгений Александрович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УНИВЕРСАЛЬНО-СБОРНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ

05.11.14 - Технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ДПР 2012

Санкт-Петербург 2012

005019678

Работа выполнена на кафедре «Технология приборостроения» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Валетов Вячеслав Алексеевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лавровский Сергей Константинович (профессор кафедры «Технологии комплексных инноваций» СПбГПУ) кандидат технических наук, профессор Бабаев Сергей Александрович (профессор кафедры «Инжиниринга и менеджмента качества» БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова)

Ведущая организация:

ЗАО «Диаконт» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится «15» мая 2012 г. в 17:30 на заседании диссертационного совета Д 212.227.04 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Автореферат разослан «$» апреля 2012 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.04.

Ученый секретарь, кандидат технических наук, доцент

Киселев С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время для промышленного производства характерен ряд особенностей и предъявляемых к нему противоречивых требований.

Прежде всего, это тенденция к сокращению длительности эксплуатации изделий и к появлению на рынке все новых и совершенных изделий для удовлетворения самых разнообразных потребностей человека. Это требует все в большей степени сокращать как сроки технологической подготовки производства (ТПП), так и длительность самого производства новых изделий.

Происходит и расширение номенклатуры, и увеличение сложности выпускаемой продукции, что требует и повышения производительности труда, и снижения себестоимости продукции. Система универсально-сборных приспособлений (УСП), относящаяся к одной из разновидностей технологической оснастки (ТО), согласно рекомендациям ГОСТов и технической литературы, как раз и ориентирована на применение в условиях существующих противоречивых требований и тенденций. Поэтому сегодня одним из способов повышения конкурентоспособности предприятия является увеличение эффективности использования системы УСП за счет сокращения сроков разработки и повышения качества технической документации на основе автоматизации проектирования с применением современных информационных технологий.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение эффективности автоматизированного проектирования УСП.

Для достижения этой цели был поставлен ряд задач:

1. Разработка методики проектирования групповых УСП, заключающейся в проектировании специальных деталей сменных наладок групповых УСП, а также подбора сменных наладок из унифицированных компонентов УСП на основе создания групповых компоновок с использованием ЗО-модели комплексной заготовки.

2. Разработка методики автоматизированной генерации ЗБ-моделей сборок УСП.

3. Разработка методики применения библиотек ЗО-моделей компонентов УСП с возможностью автоматизированного задания сопряжений для различных типов конструктивных элементов.

4. Разработка методики автоматизированного проектирования зажимных устройств, включающей в себя:

-автоматизацию расчетов сил и моментов резания;

з

-автоматизацию расчетов исходного усилия закрепления заготовки и генерации ЗБ-модели силового механизма зажимного устройства с требуемыми параметрами.

5. Разработка методики проектирования конструкции установочных элементов УСП.

6. Разработка методики учета доступного для компоновки множества элементов УСП в качестве дополнительного ограничения при автоматизированном проектировании.

7. Описание специфики организации процесса проектирования УСП с использованием системы автоматизированного проектирования (САПР).

Объект и предмет исследования. В качестве объекта исследования выступает проектирование ТО. К предмету исследования относятся методики автоматизированного проектирования УСП.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач были использованы научные положения теории автоматизированного проектирования приспособлений, технологии приборостроения, групповой технологии, дискретной математики, аналитической геометрии, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна полученных в работе результатов.

1. Предложена методика проектирования групповых УСП.

2. Предложена методика автоматизированной генерации ЗБ-моделей сборок УСП.

3. Предложена методика автоматизированного проектирования УСП с использованием библиотек ЗБ-моделей компонентов УСП.

4. Предложена методика автоматизированного проектирования зажимных устройств УСП.

5. Предложена методика автоматизированного проектирования конструкции установочных элементов УСП.

Практическая значимость работы. Практическая значимость исследования заключается в разработанных методиках и реализованных на их основе программных продуктах для автоматизированного проектирования УСП. Данные методики и программные продукты представляют в совокупности элементы программно-методического комплекса автоматизированного проектирования УСП. Некоторые результаты работы могут послужить основой для перехода от созданного комплекта опытных образцов приложений к разработке программного продукта для автоматизированного проектирования УСП, обладающего полным набором функциональных возможностей в рамках описанных в работе методик. Ряд результатов работы можно уже сейчас применять в инженерной практике.

Реализация результатов работы. Некоторые результаты исследования были использованы на практике в учебном процессе СПбНИУ ИТМО на кафедре «Технология приборостроения». Также данные результаты были внедрены в процесс ТПП ОАО «ЛЕНПОЛИГРАФМАШ».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика проектирования групповых УСП.

2. Методика автоматизированной генерации ЗО-моделей сборок УСП.

3. Методика автоматизированного проектирования УСП.

4. Методика автоматизированного проектирования зажимных устройств

УСП.

5. Методика автоматизированного проектирования конструкции установочных элементов УСП.

Апробация работы. Результаты работы были представлены в форме докладов на ряде конференций, перечень которых приведен ниже.

1. XXXV11I научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО (СПб, СПбГУ ИТМО , 2009 г.)

2. XXXIX научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО (СПб, СПбГУ ИТМО ,2010 г.)

3. VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (СПб, СПбГУ ИТМО, 2010 г.)

4. Четвертый Всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (СПб, СПбГПУ, 2010 г.)

5. XL научная и учебно-методическая конференция национального университета информационных технологий, механики и оптики

6. VIII Всероссийская межвузовская конференции молодых ученых (СПб, СПбНИУ ИТМО, 2011 г.)

7. XLI научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (СПб, СПбНИУ ИТМО ,2012 г.)

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ в виде научных статей и тезисов докладов, 2 из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка принятых аббревиатур и сокращенных обозначений терминов, библиографического списка из 72 источников и 15 приложений. Объем основной части работы составляет 162 страниц, общий объем работы с приложениями составляет 326 страниц. Основная часть работы и приложения содержат 59 рисунков и 34 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цель и задачи исследования, описывается научная новизна и практическая значимость исследования.

В первой главе и дополняющих её приложениях дается описание основных задач проектирования приспособлений и общая классификация методов проектирования.

САПР-СП в условиях современного производства должна обладать возможностью интеграции с программными продуктами, ориентированными на концепции САЬБ/РЬМ, и сама обладать такой ориентацией. Это послужило одним из критериев для выбора базовой САПР, на основе которой были разработаны специализированные приложения. В качестве другого критерия выбора базовой САПР выступило требование широкого набора функциональных возможностей параметрического ЗБ-моделирования. Также свою роль сыграла распространенность программного продукта. На основании этого в работе рассматривается в качестве базовой САПР система БоЫМ'огкз.

Классификация и анализ специализированных САПР для проектирования УСП показали, что одним из эффективных путей автоматизации проектирования как раз и является разработка специализированных приложений (не обязательно требующая навыков программирования) на основе технологий ЗО-моделирования. Однако существующие разработки в этой области (например, обычные библиотеки ЗБ-моделей компонентов УСП) обладают лишь ограниченной функциональностью.

Если говорить о современных исследованиях (за последние 10 лет) в области автоматизированного проектирования СП, то они существуют, однако их результаты невозможно напрямую задействовать для автоматизации проектирования УСП, т.к. эта система обладает своей спецификой. Кроме того, решение ряда задач, поставленных в нашей работе, в этих исследованиях не рассматривается вообще. В качестве примера можно привести задачу разработки методики проектирования групповых УСП.

Первую главу завершает постановка задачи исследований, решение которых направлено на повышение эффективности проектирования УСП.

Во второй главе и дополняющих её приложениях сформулировано описание основных функций и их взаимосвязей для программно-методического комплекса и на их основе описана структура комплекса. Результаты перехода от постановки задачи исследования к перечню и основным взаимосвязям функций комплекса представлены в форме диаграммы прецедентов иМЬ.На основании этого была предложена структура комплекса,

б

основные функции которого реализованы в отдельных структурных элементах. Диаграмма UML показана на рисунке 1, а укрупненная схема, описывающая состав и взаимосвязи составляющих комплекса, показана на рисунке 2.

Проектирование групповых УСП имеет свою специфику: конструкция приспособления состоит из базовой части и переналаживаемых элементов; в ряде случаев эти элементы представляют собой комплект специальных деталей (не из состава набора УСП) сменной наладки; в этом случае для оснащения изготовления группы деталей может потребоваться спроектировать ряды конструктивно подобных специальных деталей сменной наладки.

В процессе проектирования групповых УСП был выделен ряд основных задач методики: построение ЗО-модели комплексной заготовки; проектирование базовой части и сменной наладки; задание функциональных зависимостей конструктивных параметров специальных деталей сменной наладки от исходных данных.

ЗЭ-модсль комплексной заготовки служит для облегчения компоновки за счет передачи в одну модель информации о конструктивных параметрах всех заготовок группы. Рассматриваются два способа её создания: построение модели с помощью таблицы конструктивных параметров, (является файлом Excel, прикрепляемым к ЗО-модели); автоматизированный импорт информации о геометрии каждой заготовки в отдельные конфигурации ЗО-модели комплексной заготовки. При первом варианте с помощью таблицы возможна передача следующих параметров: линейные и угловые размеры с допусками; перечень конструктивных элементов, присутствующих в геометрии конкретной заготовки (выделяются конструктивные элементы, общие для всех заготовок, и конструктивные элементы, характерные для конкретной заготовки).

Концепция задания функциональных связей заключается в формировании перечня зависимостей конструктивных параметров ЗБ-моделей специальных деталей сменной наладки (при необходимости и ЗО-модели сборки) от исходных данных. После этого полученные зависимости могут быть описаны в таблице ЗО-модели сборки приспособления с помощью ряда аналитических, логических и др. функций Excel.

Таблица сборки может управлять: характеристиками и состояниями погашения сопряжений сборки; свойствами конфигураций; состояниями погашения и конфигурациями компонентов сборки; параметрами геометрических объектов специально созданного управляющего эскиза (этот эскиз с помощью инструмента «уравнения» можно связать с конструктивными параметрами специальных деталей). С помощью этого устанавливается функциональная зависимость параметров конструкции специальных деталей от исходных данных.

Рисунок 1 - Диаграмма прецедентов САПР-УСП

Рисунок 2 - Структура программно-методического комплекса САПР-УСП

Выбор состава задач, решаемых при проектировании группового УСП, основан на определении минимальных затрат времени на проектирование с использованием того или иного набора задач с помощью выражений вида:

Тщ1п = т'п С^КЗ + ^ком1 + ^функц + И ^-сменнОг « ^ком2 + 2 ^сменнОг); (1)

где 1Кз - время создания комплексной заготовки;

£ком1 ~ время компоновки и проектирования базовой части с использованием комплексной заготовки;

^Функц ~~ затраты времени на задание функциональных связей;

I] £сменн01,02 — затраты времени на проектирование всех комплектов деталей сменной наладки и оформление на них конструкторской документации для двух вариантов;

^комг ~ время компоновки и проектирования базовой части без использования комплексной заготовки.

Расчет затрат времени для случая проектирования УСП универсальными инструментами должен быть выполнен с помощью методики, полученной

адаптацией содержания соответствующего нормативного документа (Типовые нормы времени на разработку конструкторской документации) (проектирование технологического оснащения) : утв. постановлением Госкомтруда СССР, секретариата ВЦСПС от 17.03.1986 N 93/6-6.) к современным условиям.

Расчет затрат времени для различных задач нашей методики выполняется на основе аналогичной совокупности выражений, в которых с помощью поправочных коэффициентов учитывается: группа сложности комплексной заготовки; количество конструктивных параметров, описывающих комплексной заготовки; уровень опыта конструктора по овладению методикой; группа сложности и число задаваемых функциональных зависимостей и ряд др. составляющих.

Значения величин затрат времени и поправочных коэффициентов для проведения всех расчетов могут быть получены на основе сбора опытным путем статистической информации.

Концепция методики генерации ЗБ-моделей сборок УСП основана на программном управлении с помощью API (Application Programming Interface — интерфейс программирования приложений) работой универсальных функций САПР общего назначения с целью автоматического построения ЗБ-модели сборки. По сути, это моделирование операций конструктора при построении ЗБ-модели: вставки компонентов в сборку и задания между ними сопряжений. Основой этого является информационная модель конструкции сборки.

Суть информационной модели конструкции УСП можно выразить комплектом графов, построенных на общих принципах (структурные графы конструкции сборки УСП, деталей УСП и заготовки); один из графов показан на рисунке 3.

: Урабни

Структура

\ \ \\

/7 \ / 1 \ \ \ \ \.

/услянобачные. зажинные!

Летали

Коиструктибные элементы

Рисунок 3 - Структурный граф конструкции УСП

Элементы графа, описанные с помощью разработанного нами языка (см. описание содержания главы 3), дают информацию о составе конструкции на

ю

различных иерархических уровнях и её иерархической структуре, пространственной ориентации конструктивных элементов в системе координат деталей и поверхностей конструктивных элементов в системе координат конструктивных элементов, связях в парах конструктивных элементов (образующих типовые сочетания), комплектах сопряжений поверхностей конструктивных элементов в ЗБ-модели, обеспечивающих требуемые связи между конструктивными элементами, и координатах характерных точек поверхностей (точек, лежащих на поверхностях) в системе координат последних.

Одной из важных составляющих, лежащих в основе методики, является преобразование координат с помощью матрицы направляющих косинусов.

Применение библиотек ЗБ-моделей компонентов основано на вышеописанной методике: перед вставкой компонента в сборку конструктор выбирает тип сочетания конструктивных элементов, а далее происходит автоматизированное задание сопряжений, что снимает часть рутинных операций с конструктора.

Автоматизированный расчет сил и моментов резания, относящийся к одной из задач проектирования зажимных устройств, заключается в переходе от традиционной методики ручного расчета с помощью таблиц и аналитических зависимостей к аналогичным расчетам с использованием программы. Концепция другой задачи проектирования зажимных устройств -расчета исходного усилия Ри и генерации конструкции зажимного устройства -заключается в поиске подходящей типовой схемы силового механизма по заданным конструктивным параметрам с помощью таблиц соответствия. Другим критерием отбора является сложность механизма. Содержание фрагмента таблицы соответствия для одной из типовых схем приведено в таблице 1.

Таблица 1

Обозначение Наименование Параметры конструкции

1.Г5.Т001.7011-0889 Прихват передвижной Нтг нв и к 16,4...44 2...46 8...18 34-/,

4. Г6.Т006.7000-0071... 0075 Винт установочный с цилиндрическим концом

7. Г6.Т011.7003-0372 Гайка шестигранная низкая

4. Г6.Т006.7000-0071... 0075 Винт установочный с цилиндрическим концом

7. Г6.Т011.7003-0391 Гайка шестигранная удлин.

В таблице 1 приняты следующие обозначения:

Нзаг — высота поверхности прижима над нижней опорной поверхностью заготовки, мм;

Нв — высота выступающей части опорного винта, мм;

/,, /2 - линейные размеры плеч винто-рычажного механизма, мм.

Сложность механизма оценивается коэффициентом сложности, получаемым линейной сверткой следующих критериев сложности: количество деталей в механизме; количество резьбовых соединений; количество настраиваемых линейных размеров.

После выбора типовой схемы пользователь уточняет её конструктивные параметры, выполняет расчет исходного усилия, необходимого для фиксации заготовки. Затем происходит автоматическая генерация модели механизма и вставка её в сборку с автоматизированным указанием сопряжений.

Проектирование конструкции установочных элементов УСП базируется на использовании базы знаний (БЗ), построенной на основе системы соответствий, описываемых переходом: теоретическая схема базирования —> комплект базовых поверхностей —> комплект типов конструкций установочных элементов —> тип конструкции установочного элемента —> тип компонента УСП —> типоразмер компонента УСП -> конструктивный элемент, сопрягаемый с базовой поверхностью заготовки -> тип связи между конструктивным элементом и базовой поверхностью заготовки —> набор сопряжений в ЗО-модели, реализующих тип связи.

Данный переход построен на основе: метода систематизации схем установки заготовок, предложенного проф. Ильицким В. Б.; выполненной в работе классификации компонентов УСП по признаку соответствия их типам конструкций установочных элементов; выполненной в работе классификации типов связей конструктивных элементов с базовыми поверхностями заготовок. В задачи проектирования также входит автоматизированное указание сопряжений.

В третьей главе и дополняющих её приложениях приведен язык описания информационной модели конструкции УСП и БЗ конструкций установочных элементов УСП.

Язык описания первой модели служит для идентификации: типов и типоразмеров компонентов УСП, типов конструктивных элементов, типов поверхностей конструктивных элементов, типов связей между конструктивными элементами, типов связей между поверхностями конструктивных элементов, типов функциональных групп, типов поверхностей заготовки, типов связей между конструктивными элементами и поверхностями заготовки, типов связей между поверхностями конструктивных элементов и

поверхностями заготовки. Как уже упоминалось (см. описание содержания главы 2), язык описывает информацию о составе и иерархической структуре конструкций, пространственной ориентации конструктивного элемента в системе координат деталей и др. Возможно описание конструкций деталей УСП, узлов из комплекта УСП, заготовки и типовых конструкций приспособления. Критериями типовой конструкции являются: фиксированный набор типов компонентов УСП; фиксированное количество связей заданных типов между конструктивными элементами компонентов. Такой подход был выбран для обеспечения возможности применения информационной модели в системах, где возможен выбор того или иного варианта решения на основе взаимодействия с конструктором. Для разработки языка выполнена классификация различных типов объектов, перечисленных выше; сформулированы правила привязки системы координат к компонентам УСП, заготовке, конструкции приспособления, конструктивным элементам и поверхностям конструктивных элементов.

При описании второй модели к записям, описывающим конструкцию деталей УСП, добавляется блок, описывающий, к какому типу конструкции установочных элементов относится деталь и какие типы связей между конструктивными элементами и поверхностью заготовки задаются при её применении.

Алгоритм генерации ЗО-модслсй сборок УСП заключается в последовательной вставке компонентов в сборку и задании для каждого из них после вставки комплекта связей его конструктивных элементов с конструктивными элементами других компонентов. Каждая из связей между конструктивными элементами обеспечивает задание своего набора сопряжений в ЗО-модели. Положение сопрягаемых деталей 1 и 2 в системе координат сборки заранее неизвестно. Точки 1, 2 и 3 (см. второй шаг алгоритма) лежат на осях системы координат деталей 1 и 2. За счет измерения координат всех точек мы можем определить ориентацию деталей в системе координат сборки. После этого происходит с помощью преобразования координат определение положения координат характерных точек сопрягаемых поверхностей в системе координат сборки. Зная координаты характерных точек, мы можем выделить поверхности, а затем выполнить их сопряжение с заданными параметрами.

Принципы описания конструкции детали УСП проиллюстрированы рисунком 4, а укрупненная схема алгоритма автоматического задания сопряжений приведена на рисунке 5.

Взаимосвязь метода синтеза, описанного в работах Раковича А. Г. и др. ученых, и методики генерации ЗО-моделей сборок УСП заключается в следующем. Существующий метод синтеза приспособлений, реализованный в

виде приложений, обеспечивающих синтез компоновок УСП, включает в себя в качестве одного из последних этапов документирование результата, основанное на отображении хранящейся в памяти модели полученной конструкции в пространство построения плоского чертежа. В рамках существующих современных САПР, поддерживающих функции ЗО-моделирования, этот этап можно заменить на автоматическую генерацию ЗБ-модели сборки.

Метка обозначения уровня КЭ в иерархии конструкции Метки обозначения уровня детали в иерархии конструкции

— Обозначение типа функциональной группы Обозначение типа компонента

Обозначение типоразмера компонента --

Гб. Т001.7002-0372-Болт пааоюЯ

Обозначение типа КЭ

Порядковый номер типа КЭ

Положение начала координат КЭ в СК детали

з01.001 (а, о, о, 1. о. о,

1.4

Э25.001.П01.01 (О, О, О, 1, О, О, О, 1, О, О, О, 1, О, 115 I___I 1-

-1, 0, 0, 0, -1) 'Плоскости баяояш

Положение начала координат поверхности КЭ в СК КЭ

0, 0, 0, 1, О, О, О, 1, 2, О, 0) 'Плоскости базовые

1) I

V

Метка обозначения уровня поверхности КЭ в иерархии конструкции

Компоненты матрицы направляющих косинусов, описывающие -ориентацию СК поверхности в СК КЭ

Координаты характерной точки поверхности КЭ"

- Порядковый номер типа поверхности КЭ

Обозначение типа поверхности КЭ

Компоненты матрицы направляющих косинусов, описывающие ориентацию СК КЭ в СК детали — Обозначения на рисунке: КЭ — конструктивный элемент; СК — система координат. Рисунок 4 — Фрагмент описания конструкции болта пазового

Номер шага алгоритма

Команда алгоритма

^ Начало ^

АГ

Определение положения точек начала координат деталей 1 н 2 в СЖ сборки

Определение положения точек 1, 2 и 3 в СК сборки Х'1я деталей ! и 2

Построение вектора позиционных координат деталей 1 II2

Определение координат характерных точек сопрягаемых поверхностей

Выделение с поверх опрягасмых ностей

г

Задание со! требуемыми фяжения с параметрами

Применяемый метод и (или) функция и (или) определяемый параметр

ЬооХзЬаЪиз = Parfc.Extension.SelectByID2 (...) ЭеЪ Меазиге = РагЪ.ЕхЪепз1оп.СгеаЬеМеазиге

Ьоой^а^э = РагЪ.ЕхЬепз1оп.8е1есЪВуЮ2 (...) Меазиге = РагЪ.ЕхЪепз1оп.СгеаЪеМеа8иге

Методы аналитической геометрии ув.:„,\А\)

Тронное преобразование координат

Ьоо1зЬаЪиз = Part.Extensi.on. Бе1ес1Ву12 (...)

БеЬ туМаЬе = РагЬ.АааМа1вЗ(...)

^ Конец у

Рисунок 5 — Укрупненная схем алгоритма автоматического задания

сопряжений

Схема такого процесса была показана ранее во второй главе работы, а здесь представлена на рисунке 6.

В четвертой главе и дополняющих её приложениях описана структура, основные функции составляющих данной структуры и интерфейс опытных образцов элементов программно- методического комплекса.

Библиотеки ЗБ-моделей компонентов УСП и приложения для проектирования силовых механизмов зажимных устройств имеют сходную структуру и последовательность взаимодействия с пользователем. На первом этапе работы выполняется расчет (или выбор) ЗБ-модели детали (узла) с требуемыми параметрами, а затем происходит её вставка в сборку и

автоматизированное задание сопряжений для соответствующего типового сочетания конструктивных элементов.

Модуль управления отвечает за реакцию на взаимодействие пользователя с формами интерфейса, переход между различными состояниями (этапами) процесса проектирования и за процедуры межмодульного обмена информацией.

Исходные данные

ЗО-модель сборки УСП

Рисунок 6 - Укрупненная структура САПР-УСП на основе метода синтеза

Файлы данных библиотеки (приложения) представляют собой совокупность файлов ЗБ-моделей, файлов описания структуры и параметров конструкции с помощью описываемого в исследовании языка и различных вспомогательных файлов, содержащих справочную информацию для загрузки интерфейса, необходимые справочные данные для проведения расчетов и др.

Модуль анализа текста содержит ряд процедур и функций, позволяющих выполнить преобразование информации о структуре и параметрах конструкции УСП, содержащейся в соответствующих файлах, в необходимое информационное представление конструкции УСП, обеспечивающее работу библиотеки (приложения).

Такое преобразование позволяет, в частности, перейти к процедурам автоматизированного задания сопряжений, выполняемым на основе преобразования координат. Выполнение последней задачи вынесено отдельно в соответствующий модуль.

Вышеупомянутые этапы взаимодействия с пользователем реализованы с помощью двух основных типов форм пользовательского интерфейса: форма расчета (определения) параметров (типа) ЗБ-модели и форма вставки сопряжений.

В качестве примера приведем внешний вид интерфейса формы вставки компонента для одного из вариантов конструктивного исполнения комбинированного винто-рычажного силового механизма зажимных устройств (см. рисунок 7).

8<гавкз молеяк Рычажко-еинтовой комбинированный сияовсй мм»™

Рисунок 7 - Интерфейс формы вставки компонента

В данном интерфейсе реализована возможность автоматизированного подбора (расчета) требуемых типоразмеров составляющих конструкции силового механизма и параметров его конструкции, на основе ввода исходных данных о требуемых геометрических параметрах механизма. Также здесь выполняется расчет исходного усилия Ри для конструкции механизма с заданными параметрами.

Интерфейс оболочки БЗ автоматизированного проектирования конструкции установочных элементов УСП предназначен для реализации выбора конкретных компонентов УСП и автоматизированного их сопряжения с базовыми поверхностями заготовки на основе соответствия, описанного ранее.

Интерфейс приложения для автоматизированного расчета сил и моментов резания реализует переход от ручного процесса выбора исходных данных для расчета в заголовках таблиц справочной литературы к аналогичному выбору и вводу их в полях и выпадающих списках форм приложения. Само приложение реализует функции автоматизированного расчета сил и моментов резания.

Переход на автоматизированное проектирование УСП с применением программно-методического комплекса оказывает влияние на организационную структуру предприятия, состав, содержание и производительность выполнения задач различными участниками трудового процесса.

Применение программно-методического комплекса приведет к перераспределению функций участников трудового процесса. Для слесарей-сборщиков снятие с них функций проектирования приведет к большему уровню специализации их труда, что может привести к снижению требований к квалификации и общему повышению производительности.

Таким образом, применение программно- методического комплекса при проектировании УСП может повысить эффективность ТПП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведения исследования предложен ряд методик, повышающих эффективность проектирования УСП и являющихся основой предлагаемого программно-методического комплекса автоматизированного проектирования УСП. Это позволило достичь основной цели работы.

Перечислим возможные направления практического применения результатов:

1. Предложенная совокупность методик может послужить основой для разработки полнофункционального программно-методического комплекса.

2. Автоматизирована процедура расчета сил и моментов резания и зажимных элементов приспособлений.

3. Методику проектирования групповых УСП можно использовать на практике без дополнительных данных, необходимых, для оценки затрат времени на проектирование. Более того, элементы методики можно использовать для решения аналогичных задач в других областях.

4. Полученная совокупность остальных методик после проведения дополнительной модификации также может быть использована других областях: для систем СП, аналогичных УСП; для других базовых САПР; в рамках метода синтеза СП.

Таким образом, полученные результаты могут послужить как основой для проведения дальнейших исследований и прикладных разработок, так и уже сейчас найти практическое применение.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации из в журналах из перечня ВАК.

1. Серков Е. А. Автоматизация процесса проектирования групповых станочных приспособлений // Приборостроение .-2010 .- №08 .- С. 56 -59.

2. Серков Е. А., Васильев Е. Ю. Разработка приложения для расчета сил и моментов резания // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии: известия ОрелГТУ: научно-технический журнал Орловского государственного технического университета .— 2010 .-№6-2 (284) .-С. 122-127.

Прочие публикации.

1. Серков Е. А. Направления автоматизации проектирования групповых приспособлений // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 3. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В. О. Никифоров .- СПб : СПбГУ ИТМО, 2010 .- С. 146-147.

2. Серков Е. А. Повышение эффективности проектирования универсально-сборных приспособлений // Наука и инновации в технических университетах: материалы Четвертого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых .— СПб. : Изд-во Политехи, ун-та, 2010 .- С. 32-34.

3. Серков Е. А. Теоретические основы методики проектирования специальных деталей групповых УСП // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых /

' Главный редактор д.т.н., проф. В. О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2011 .-С. 304-305.

Подписано в печать 11.04.12 Формат 60х84'/)6 Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 Заказ 09/04 печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт». Корректор Валетов В.А. (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)

61 12-5/2781

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ"

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УНИВЕРСАЛЬНО-СБОРНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ

05.11.14 - Технология приборостроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Серков Евгений Александрович

Научный руководитель д.т.н., профессор Валетов В.А.

Санкт-Петербург 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................7

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УНИВЕРСАЛЬНО-СБОРНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ.........................................13

1.1 Характеристика методов проектирования приспособлений..........13

1.1.1 Задачи процесса проектирования...........................................13

1.1.2 Общая классификация методов Проектирования.................16

1.2 Направления унификации при проектировании универсально-сборных приспособлений.........................................................................19

1.3 Анализ существующих систем автоматизированного проектирования технологической оснастки...........................................22

1.3.1 Роль систем автоматизированного проектирования технологической оснастки в единой информационной поддержке этапов жизненного цикла изделий..................................................22

1.3.2 Классификация систем автоматизированного проектирования.................................................................................23

1.3.3 Обзор систем автоматизированного проектирования общего назначения..........................................................................................24

1.3.4 Обзор специализированных систем автоматизированного проектирования универсально-сборных приспособлений...........26

1.4 Анализ современных исследований в области автоматизированного проектирования станочных приспособлений...29

1.5 Анализ методов решения некоторых специфических задач проектирования универсально-сборных приспособлений...................30

1.6 Выводы по результатам анализа методов и средств проектирования универсально-сборных приспособлений...................33

1.7 Постановка задачи исследования......................................................35

ГЛАВА 2. СТРУКТУРА, МЕТОДИКИ И МОДЕЛИ ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА.......................................................................36

2.1 Функции и структура программно-методического комплекса......36

2.2 Методика проектирования групповых универсально-сборных приспособлений.........................................................................................47

2.3 Методика генерации ЗБ-моделей сборок универсально-сборных приспособлений.........................................................................................64

2.4 Методика применения библиотек ЗЭ-моделей компонентов универсально-сборных приспособлений................................................76

2.5 Методика автоматизированного проектирования зажимных устройств....................................................................................................77

2.5.1 Расчет сил и моментов резания..............................................77

2.5.2 Расчет и проектирование силовых механизмов зажимных устройств............................................................................................82

2.6 Методика автоматизированного проектирования конструкции установочных элементов универсально-сборных приспособлений ....85

2.7 Учет задействованных компонентов универсально-сборных приспособлений при автоматизированном проектировании................95

2.8 Выводы по второй главе.....................................................................96

ГЛАВА 3. ЯЗЫК ОПИСАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ КОНСТРУКЦИИ УНИВЕРСАЛЬНО-СБОРНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ. АЛГОРИТМЫ ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА...............97

3.1 Разработка языка описания информационных моделей.................97

3.1.1 Обозначение составляющих элементов конструкции универсально-сборных приспособлений........................................97

3.1.2 Правила описания конструкции универсально-сборных приспособлений...............................................................................101

3.1.3 Разработка элементов языка описания содержимого базы знаний...............................................................................................104

3.2 Алгоритмы работы программно-методического комплекса........107

3.2.1 Алгоритм автоматизированной генерации ЗБ-моделей сборок универсально-сборных приспособлений.........................107

3.2.2 Алгоритм автоматизированного проектирования с применением библиотек ЗБ-моделей компонентов универсально-сборных приспособлений...............................................................113

3.2.3 Алгоритм расчета исходного усилия и проектирования силовых механизмов зажимных устройств..................................115

3.2.4 Алгоритм автоматизированного проектирования конструкции установочных элементов универсально-сборных приспособлений...............................................................................117

3.3 Целесообразность применения методики генерации ЗБ-моделей сборок универсально-сборных приспособлений при использовании его в рамках существующего метода синтеза приспособлений.........119

3.4 Описание структуры взаимосвязей составляющих программно-методического комплекса.......................................................................122

3.5 Выводы по третьей главе..................................................................127

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ......................128

4.1 Разработка библиотек ЗБ-моделей компонентов универсально-сборных приспособлений.......................................................................128

4.2 Разработка приложения для автоматизированного расчета сил и моментов резания....................................................................................131

4.3 Разработка приложения для расчета исходного усилия и проектирования силовых механизмов зажимных устройств..............133

4.4 Разработка интерфейса оболочки базы знаний автоматизированного проектирования конструкции установочных элементов универсально-сборных приспособлений............................136

4.5 Оценка эффекта от применения программно-методического комплекса в рамках предлагаемого подхода к организации

проектирования и применения универсально-сборных

приспособлений на предприятии...........................................................138

4.6 Выводы по четвёртой главе..............................................................146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................147

ПРИНЯТЫЕ АББРЕВИАТУРЫ И СОКРАЩЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ТЕРМИНОВ.............................................................................................................151

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ А . СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ НА МИРОВОМ РЫНКЕ..................................................163

ПРИЛОЖЕНИЕ Б . ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМЫ SOLID WORKS...........164

ПРИЛОЖЕНИЕ В . СТРУКТУРА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ..............................168

ПРИЛОЖЕНИЕ Г . РАЗРАБОТКА КОМПОНЕНТОВ ЯЗЫКОВЫХ СРЕДСТВ ....................................................................................................................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ Д . СОСТАВ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УНИВЕРСАЛЬНО-СБОРНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ. ПРИВЯЗКА СИСТЕМ КООРДИНАТ К СТРУКТУРНЫМ ЭЛЕМЕНТАМ КОНСТРУКЦИИ..............191

ПРИЛОЖЕНИЕ Е . ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОДА БИБЛИОТЕКИ ЗО-МОДЕЛЕЙ БОЛТА ПАЗОВОГО.....................................................................213

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж . ОПИСАНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСЧЕТА СИЛ И МОМЕНТОВ РЕЗАНИЯ...227

ПРИЛОЖЕНИЕ И . ЛИСТИНГ ПРОГРАММНОГО КОДА МОДУЛЯ РАСЧЕТА ИСХОДНОГО УСИЛИЯ.....................................................................239

ПРИЛОЖЕНИЕ К . ТИПОВЫЕ СХЕМЫ СИЛОВЫХ МЕХАНИЗМОВ ЗАЖИМНЫХ УСТРОЙСТВ..................................................................................246

ПРИЛОЖЕНИЕ Л . ПРАВИЛА ОПИСАНИЯ КОНСТРУКЦИИ УСП.............267

ПРИЛОЖЕНИЕ М .РАСЧЕТ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПРУЖИН СЖАТИЯ.....286

ПРИЛОЖЕНИЕ Н . АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ ТИПОВ УСТАНОВОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УНИВЕРСАЛЬНО-СБОРНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ.............................................................................................294

ПРИЛОЖЕНИЕ П . ОЦЕНКА ТРУДОЕМКОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.......302

ПРИЛОЖЕНИЕ Р . РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА СОВРЕМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАНОЧНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ............................308

ПРИЛОЖЕНИЕ С . ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ КОНСТРУКЦИИ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ В РАМКАХ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГРУППОВЫХ УСП.................................................................................................317

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. В настоящее время для промышленного производства характерен ряд особенностей.

Прежде всего, это сокращение долговечности и времени эксплуатации изделий: «Промежуток времени, в течение которого продукция пользуется спросом на рынке и приносит прибыль, по мнению ведущих исследовательских институтов за последние 20 лет, уменьшился примерно вдвое. Различные исследования показывают, что этот процесс продвигается примерно на 5 % в год...» [12, с. 23] (очевидно, что данная тенденция будет наблюдаться еще в течение какого-то промежутка времени, пока длительность периода спроса не достигнет своего предела). Как показывает практика, важным фактором, влияющим на прибыль, при этом становится время, прошедшее с момента принятия решения о проектировании до момента появления изделия на рынке [12, с. 27].

Кроме того, происходит расширение номенклатуры изделий, изготовление их в соответствии с индивидуальными запросами пользователя [12, с. 23].

Также наблюдается рост сложности выпускаемых изделий [41].

Еще одним фактором является возрастающая роль конкуренции в глобальных масштабах, на мировом уровне [12, с. 24].

Следует отметить также возрастающую роль информационных технологий во многих областях деятельности человека. Комплексное применение информационных технологий может дать предприятию качественное преимущество как за счет повышения эффективности выполнения различных задач, существующих на разных этапах жизненного цикла изделия (ЖЦИ), так и за счет появления для этого принципиально новых инструментов и методов.

По этим причинам особенно важно сокращение сроков и стоимости технологической подготовки производства (ТПП), изменение её качественного

уровня, а, в частности, стоимости и сроков проектирования технологической оснастки (ТО), повышения её эффективности. Существенную роль при этом играет использование современных информационных технологий.

Отметим, что перечисленные особенности современного производства и существующие требования к нему носят противоречивый характер.

Система универсально-сборных приспособлений (УСП), относящаяся к одной из разновидностей ТО, согласно рекомендациям государственных стандартов (ГОСТов) и технической литературы, как раз и ориентирована на применение в условиях существующих противоречивых требований и тенденций.

Поэтому одним из способов обеспечения конкурентоспособности предприятия является увеличение эффективности использования системы УСП за счет сокращения сроков и уровня качества её проектирования на основе автоматизации с использованием современных информационных технологий.

Состояние проблемы. Вопросы теории проектирования ТО и, в частности, системы УСП, разработки методов и систем автоматизированного проектирования (САПР) упоминаются во многих работах, посвященных вопросам проектирования ТО и автоматизации ТПП. В этом направлении проводили исследования такие ученые как Ракович А.Г., Митрофанов С.П., Горанский Г.К., Кузнецов B.C., Аверченков В.И, Ващенко Ю.Л., Мясников Ю.И., Ильицкий В.Б. и ряд других.

Проведенные ранее исследования позволили разработать к концу 80-х годов XX века ряд специализированных САПР, предназначенных для проектирования различных систем ТО. Эти системы и лежащие в их основе принципы, как и всякие решения, обладали определенным набором преимуществ и недостатков. Однако произошедший в 1991 г. распад СССР и последовавший за ним длительный экономический и политический кризис привели к тому, что полученные результаты не получили существенного развития в рамках появления в мире качественно новых инструментов и возможностей информационных технологий. В частности, на сегодняшний день

о

не существует системы автоматизированного проектирования универсально-сборных приспособлений (САПР-УСП), построенной на основе современных информационных технологий и нашедшей применение в промышленности.

Рассмотренные вопросы актуальности и состояния проблемы послужили основой для формулировки цели и задач исследования.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение эффективности автоматизированного проектирования УСП.

Для достижения этой цели был поставлен ряд задач, перечень которых приведен ниже.

1. Разработка методики проектирования групповых УСП, заключающейся в проектировании специальных деталей сменных наладок групповых УСП, а также подбора сменных наладок из унифицированных компонентов УСП на основе создания групповых компоновок с использованием ЗБ-модели комплексной заготовки.

2. Разработка методики автоматизированной генерации ЗБ-моделей сборок УСП.

3. Разработка методики применения библиотек ЗО-моделей компонентов УСП с возможностью автоматизированного задания сопряжений для различных типов конструктивных элементов.

4. Разработка методики автоматизированного проектирования зажимных устройств, включающей в себя:

-автоматизацию расчетов сил и моментов резания;

-автоматизацию расчетов исходного усилия закрепления заготовки и генерации ЗБ-модели силового механизма зажимного устройства с требуемыми параметрами.

5. Разработка методики проектирования конструкции установочных элементов УСП.

6. Разработка методики учета доступного для компоновки множества элементов УСП в качестве дополнительного ограничения при автоматизированном проектировании.

7. Описание специфики организации процесса проектирования У СП с использованием системы автоматизированного проектирования (САПР).

Объект и предмет исследования. В качестве объекта исследования выступает проектирование ТО. К предмету исследования относятся методы автоматизированного проектирования УСП.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач были использованы научные положения теории автоматизированного проектирования приспособлений, технологии приборостроения, групповой технологии, дискретной математики, аналитической геометрии, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна.

1. Предложена методика проектирования групповых УСП.

2. Предложена методика автоматизированной генерации ЗБ-моделей сборок УСП.

3. Предложена методика автоматизированного проектирования УСП с использованием библиотек ЗБ-моделей компонентов УСП.

4. Предложена методика автоматизированного проектирования зажимных устройств УСП.

5. Предложена методика автоматизированного проектирования конструкции установочных элементов УСП.

Практическая значимость исследования. Практическая значимость исследования заключается в разработанных методиках и реализованных на их основе программных продуктах для автоматизированного проектирования УСП. Данные методики и программные продукты образуют в совокупности программно-методический комплекс автоматизированного проектирования УСП. Остановимся на практической значимости более подробно.

Прежде всего, можно выделить следующие возможные области применения результатов работы:

- создание на основе предложенных методик специализированных

приложений для проектирования УСП в организациях-разработчиках

современных интегрированных САПР с использованием ЗБ-моделирования;

- создание тех же приложений, ориентированных на конкретное предприятие, в подразделениях предприятий, обеспечивающих внедрение и применение информационных технологий;

- проведение дальнейших научных исследований в области проектирования ТО;

- применение полученных результатов непосредственно в практической работе конструкторов ТО.

Применительно к первым двум областям применения отметим следующее.

Методика автоматизированной генерации ЗБ-моделей сборок УСП является одной из методик, обеспечивающих разработку следующих видов специализированных приложений:

- библиотеки ЗБ-моделей компонентов УСП с возможностью автоматизированного задания сопряжений для различных типов конструктивных элементов;

- библиотеки автоматизированного проектирования силовых механизмов зажимных устройств;

- база знаний автоматизированного проектирования конструкции установочных элементов УСП.

Кроме того, в основу разработки перечисленных приложений положены соответствующие методики автоматизированного проектирования, упомянутые выше.

Дополнительное повышение эффективности проектирования обеспечивает методики учета доступного для компоновки множества элементов УСП.

Другое направление применения методики автоматизированной генерации ЗБ-моделей сборок УСП - это его использование при разработке специализированной САПР-УСП, обладающей расширенной

.п.

функциональностью (вплоть до полностью автоматического синтеза конструкции У СП). В этом случае данная методика обеспечивает реализацию одного из этапов проектирования конструкции приспособления -генерирование ЗБ-модели сборки УСП на основе внутреннего представления конструкции УСП в САПР.

Что же касается послед�