автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процесса проектирования и изготовления оснастки на основе управляемой системы взаимосвязанных компьютерных моделей

4859315

РАЗИНКОВ ПЕТР ИГОРЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСНАСТКИ

НА ОСНОВЕ УПРАВЛЯЕМОЙ СИСТЕМЫ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ

(на примере пресс-форм для литья пластмасс под давлением)

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы^

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степе] кандидата технических наук

1 О НОЯ 2011

Москва 2011

4859315

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Рыбаков Анатолий Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Вермель Владимир Дмитриевич

кандидат технических наук Кресик Дмитрий Анатольевич

Ведущее предприятие: ЗАО АБ Универсал

(г. Дзержинский Московской области)

Защита состоится «23» ноября 2011 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадковский переулок, д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного технологического университета «СТАНКИН».

Автореферат разослан «21» октября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.142.03 к.т.н., доцент

Е.Г. Семячкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В структуре современного наукоемкого изделия наблюдается постоянное наращивание доли деталей, изготавливаемых из пластмассы. Это связано с тем, что пластмасса является уникальным материалом по своим характеристикам и свойствам. В последнее время детали, производимые из пластмасс с помощью термопластавтоматов (ТПА), находят все большее применение не только в промышленности, но и в бытовой технике. Сегодня практически нет такой отрасли хозяйственной деятельности человечества, где не применялся бы этот материал. Пластмассовые детали повсюду - в офисах, в домах, в автомобилях, телевизорах, мобильных телефонах и в бесчисленном количестве других предметов вокруг нас.

Переход к использованию пластмасс является одним из решающих факторов снижения себестоимости конечного изделия и улучшения его качества. Многие известные компании с мировым именем форсируют темпы разработки и внедрения инноваций, коммерциализации новых технологий проектирования и применения изделий из пластмасс.

Но прежде чем получить готовое изделие из пластмассы, необходимо в ходе технологической подготовки производства (ТПП) спроектировать и изготовить сложную технологическую оснастку - пресс-форму (ПФ).

В мире замечено, что динамичное развитие машиностроительного производства при расширении номенклатуры выпускаемых изделий ведет к постоянному росту потребностей в специальной технологической оснастке (пресс - формы, штампы, режущий и мерительный инструмент, приспособления и т.д.). Опыт технологической подготовки производства показывает, что при организации выпуска нового наукоемкого изделия трудоемкость проектирования и изготовления всей необходимой технологической оснастки зачастую бывает соизмерима с трудоемкостью проектирования и изготовления собственно изделия, для материализации которого в производственных условиях и предназначена последняя.

Сама целесообразность перехода от традиционного проектирования к автоматизированному проектированию и изготовлению пресс-форм для литья деталей из пластмасс под давлением с использованием информационных технологий представляется достаточно актуальной по следующим основным причинам:

• массовость применения пресс - форм в современном машиностроении;

• сложность и разнообразие конструкций пресс-форм, связанных с особенностями изготовления пластмассовых деталей на термопластавтоматах;

• высокая трудоемкость проектирования и в особенности изготовления формообразующих частей с использованием практически всех современных возможностей оборудования с ЧПУ (высокоскоростная обработка, электроэрозионная обработка, 5 - координатная обработка и т.д.);

• продолжительность сроков проектирования и изготовления;

• использование разнообразных логистических цепочек, построенных на взаимодействии многих участников деятельности в ходе проектирования и изготовления пресс - формы.

Отметим, что проектирование и изготовление пресс-форм совместно с организацией производства автомобилей и самолетов во многом явилось стимулом для развития профессиональных CAD/CAE/CAM систем в машиностроении.

В разное время при проектировании и изготовлении пресс-форм возможности информационных технологий фокусировались на различных направлениях деятельности: в 1970-х г.г. на выполнении технологических расчетов; в 1980-х г.г. на создании чертежно-графических баз данных; в 1990-х г.г. на создании трехмерных графических баз данных; с 2000 г. на создании компьютерных баз знаний и мастер - процессов. Современный подход к проектированию и изготовлению пресс-форм с помощью автоматизированных систем нацелен на использование цифровых прототипов (Digital Prototyping), порождаемых семейством компьютерных моделей.

Несмотря на достигнутые серьезные успехи при проектировании и изготовлении пресс-форм, дальнейшего рассмотрения требует вопрос возможности эффективного использования на машиностроительных предприятиях России новой информационно -технологической среды на основе PLM/CAD/CAE/CAM систем, поддерживающей весь жизненный цикл совмещенного проектирования наукоемкого изделия и технологической оснастки для его изготовления в условиях системы взаимосвязанных компьютерных моделей.

Поэтому задачи, связанные с повышением качества, сокращением длительности и снижением трудоемкости проектирования сложной технологической оснастки, являются актуальными при производстве наукоемких изделий машиностроения. Успешное решение этих задач машиностроительными предприятиями может быть достигнуто только при переходе к комплексному использованию достижений информационных технологий, связанных с возможностями компьютерного моделирования в нескольких областях производственной деятельности: трехмерной графике, инженерном анализе, изготовлении сложных пространственных поверхностей на оборудовании с ЧПУ и организации совместной работы коллектива специалистов.

Процесс создания цифровых прототипов на основе компьютерных моделей улучшает деятельность тех предприятий, которые, в первую очередь, связаны с ТПП изделий из пластмасс. Использование цифровых прототипов предполагает новый подход к организации деятельности при проектировании и изготовлении пластмассовых изделий.

Подход к проектированию пресс-форм через информационное моделирование на основе набора компьютерных моделей предполагает, прежде всего, сбор и комплексную обработку в процессе проектирования и изготовления пресс-формы всей конструкторской, технологической, экономической и иной информации о пресс-форме со всеми ее

взаимосвязями и зависимостями - пластмассовое изделие, процесс литья, пресс-форма, термопластавтомат, т.е. все, что имеет к ней отношение, рассматриваются как единый информационный объект.

Целью работы является повышение качества, сокращение времени и затрат в ходе компьютерной подготовки производства технологической оснастки для получения деталей из пластмасс, изготавливаемых методом литья под давлением, на основе использования системы взаимосвязанных компьютерных моделей (в первую очередь, охватывающих трехмерное моделирование, инженерный анализ, изготовление на оборудовании с ЧПУ сложных пространственных поверхностей и организацию взаимосвязей в коллективе разработчиков).

Для достижения поставленной в работе цели потребовалось решить следующие задачи:

• рассмотреть традиционные способы проектирования и изготовления пресс-форм для выделения основных объектов и информационной базы знаний;

• провести системный анализ технологической системы для изготовления пластмассовых деталей с использованием термопластавтоматов для представления конструкции пресс -формы в компьютерной среде;

• представить типовой сценарий деятельности по решению машиностроительных задач в компьютерной среде на примере проектирования и изготовления пресс - форм для литья деталей из пластмасс;

• создать систему автоматизированной поддержки деятельности специалистов при разработке и изготовлении пресс-форм в условиях системы взаимосвязанных компьютерных моделей;

• разработать методику управления проектами по созданию на заказ пресс-форм в условиях системы взаимосвязанных компьютерных моделей и итерационного характера деятельности в ходе их реализации.

Методы исследования. При выполнении работы использовались:

• понятия, принципы и методы объектно-ориентированного подхода к разработке компьютерных баз знаний;

• основные положения методологии проектирования и изготовления технологической оснастки в условиях компьютерного моделирования в CAD/CAE/CAM системах;

• основные положения методологии программирования Model Driven Development (разработка управляемая моделями), развиваемой компанией ШМ.

Научная новизна работы заключается:

• в установлении двунаправленных ассоциативных связей между разрозненными компьютерными моделями и создании на этой основе интегрированной системы

взаимосвязанных параметрических компьютерных моделей с типовыми решениями в ходе проектирования и изготовления конструкции пресс - формы на заказ;

• в разработке понятийной модели, обеспечивающей процесс проектирования и изготовления пресс-формы для литья деталей из пластмасс под давлением в компьютерной среде и интегрирующей деятельность специалистов в условиях системы взаимосвязанных компьютерных моделей;

• в обосновании полноты при формировании символьной и графической частей компьютерной базы знаний, обеспечивающей проектирование и изготовление пресс-форм для литья деталей из пластмасс под давлением на основе системы взаимосвязанных компьютерных моделей;

Практическая ценность работы состоит в разработке:

• методических рекомендаций по использованию системы взаимосвязанных компьютерных моделей при создании пресс-форм в условиях информационно -технологической среды;

• имитационной среды для поддержки деятельности специалистов при проектировании и изготовлении пресс-форм в условиях системы взаимосвязанных компьютерных моделей средствами PLM/CAD/'CAE/CAM систем;

• методики управления проектами по созданию на заказ пресс-форм в условиях системы взаимосвязанных компьютерных моделей;

Реализация работы. Технологическая подготовка производства деталей пресс-форм согласно предлагаемым методическим рекомендациям на основе системы взаимосвязанных компьютерных моделей была реализована на базе программных средств системы PowerSolution (фирма DELCAM, Англия). Промышленное внедрение результатов диссертационной работы проведено в инструментальном производстве ОАО «ОСВАР» (г. Вязники, Владимирской области).

Так же на основе данной работы разработаны методические указания к лабораторным работам по проектированию технологической оснастки по курсу «Интегрированные системы проектирования и управления» для студентов старших курсов ФБГОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на семинарах кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», на международных выставках Softool (2009-2010 г.г. г.Москва) и Металлообработка (2008-2010 г.г. г.Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 117 наименований и 1 приложения; изложена на 12В страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

ГЛАВА 1. ТРАДИЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ

В главе содержится описание традиционного процесса проектирования пресс- форм для литья пластмасс под давлением, показана роль и место этого проектирования в технологической подготовке производства пластмассовых деталей.

Организация технологической подготовки производства для изготовления пластмассовых деталей строится исходя из следующей схемы: Изделие (Пластмассовая деталь)

д

Технологический процесс (Литье пластической массы под давлением)

-а

Техническая система (Термопластавтомат + Пресс-форма)

Д

Организационная форма производственного процесса (Сырье+ТПА+ПФ Деталь)

В общем случае процесс проектирования и изготовления пресс - форм для литья пластмасс под давлением носит итерационный характер. Для этого процесса характерно наличие большого количества обратных информационных связей. В ходе выполнения этого процесса могут корректироваться как техническое задание, так и собственно конструкция пресс - формы (рис. 1). Эти изменения могут возникать как по результатам пробных партий литья пластмассовых деталей, так и по результатам эксплуатации всей технической системы в целом. Любое изменение, произошедшее в цепочке проектирования, при отсутствии отслеживаемых связей между объектами разработки и специалистами, отвечающими за их функционирование, приводит к изменению данных и необходимости вновь и вновь согласовывать отдельные решения между собой. Как следствие не согласованности данных -ухудшение показателей функционирования пресс - форм и последующее увеличение времени на внесение изменений.

В общем виде деятельность исполнителя в традиционной среде проектирования основывается на инженерных расчетах, вычерчивании, выборе конструктивных элементов из каталогов поставщиков, образно-графическом манипулировании, принятии решений и т.д. При этом вся требуемая для проектирования нормативно - справочная информация разбросана по большому количеству источников: справочники, ГОСТы, отраслевые стандарты, руководящие материалы и т.д., и, как правило, не согласована между собой. Время получения приемлемой конструкции пресс - формы для изготовления пластмассовой

7

детали с требуемой точностью и качеством определяется, в первую очередь, опытом

исполнителя и его умением работать с нормативно - справочной информацией.

1. Проектирование, изготовление 2. Доработка и доработка по результатам по результатам

пробных партий литья эксплуатации

-Исходные данные 43-► Технологическая схема реализации процесса литья 43-Конструктивная (компоновочная) схема ПФ - -► Реализация технологической оснастки в «металле» -« -Изготовление на ТПА и контроль пробных партий литья 43- Инструкция по эксплуатации 4~1

Сырье +ПФ+Термопластавтомат —>ДЕТАЛЬ

3. Эксплуатация пресс - формы на производстве для изготовления ДЕТАЛИ

Рис. 1. Традиционные этапы технологической подготовки производства технологической оснастки для изготовления деталей из пластмасс

В главе приведено описание типовой конструкции пресс-формы и рассмотрен процесс проектирования во времени, требования к точности изготовления отдельных частей пресс-формы, приведена классификация реализуемых функций в конструкции пресс-формы, составлена информационная база, используемая в ходе проектирования пресс-форм.

ГЛАВА 2. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ МАШИНОСТРОЕНИЯ В КОМПЬЮТЕРНОЙ СРЕДЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА

В главе рассмотрена автоматизация проектирование и изготовления пресс - форм для литья пластмасс под давлением в компьютерной среде, общие сведения и требования к разработке систем автоматизированного проектирования технологической оснастки в ходе подготовки производства деталей из пластмасс.

Проектирование относится к интеллектуальной разновидности человеческой деятельности. С помощью проектирования осуществляется поиск пути достижения требуемого результата, обеспечивающего переход от технического задания (начальное состояние) к этому результату (конечное состояние) (рис. 2).

С появлением ЭВМ широкое распространение во многих инженерных дисциплинах получило компьютерное моделирование. В частности проектирование стало выполняться согласно следующей цепочке:

Этап 1

Работа 2.1

Этап 2

Этап К

Требуемый результат (Конечное состояние)

-V

Представление сценария деятельности

Рис. 2. К определению понятия «проектирование»

\.......! * ........!

Идея - Набросок - Модель - Визуализация_ - Чертеж - Реализация

результатов_моделирования

Моделирование как мощный - а часто и единственный - метод исследования подразумевает замещение реального объекта другим - материальным или идеальным.

Важнейшим требованием к любой модели является ее адекватность изучаемому объекту в рамках конкретной задачи и реализуемость имеющимися средствами.

В теории принятия решений и информатике моделью объекта называется материальная или идеальная (мысленно представляемая) система, создаваемая и/или используемая при решении конкретной задачи с целью получения новых знаний об объекте -оригинале, адекватному с точки зрения изучаемых свойств и более простая, чем оригинал в остальных аспектах.

Компьютерное моделирование позволяет, используя принципы иерархической структуры, декомпозиции и абстракции, временно подменить выполнение натурного решения компьютерной имитацией деятельности (рис. 3). Такая подмена позволяет на компьютерной модели провести спланированный эксперимент по согласованию различных функциональных показателей. На основе спланированного на компьютере эксперимента удается в натурном решении использовать наиболее оптимальный вариант конструкции. Т.е. компьютерное моделирование позволяет заменить малопродуктивный метод «проб и ошибок» и выйти на оптимальный вариант конструкции за меньшее время и деньги.

Важнейшее свойство моделирования - возможность проверить характеристики проектируемой технической системы до ее производства в «металле». Такими характеристиками с точки зрения технологической подготовки производства для проектирования и изготовления пресс - форм являются затраты на ее разработку, время выведения пластмассовой детали на рынок, затраты на эксплуатацию, срок службы пресс-формы, прочность, безопасность, шумность, надежность, комфортность, простота изготовления и обслуживания, затраты на гарантийный ремонт, прибыльность и многое другое.

Рис. 3. Место моделирования деятельности при подготовке производства изделий машиностроения в компьютерной среде

Собственно деятельность по автоматизированному проектированию и изготовлению

пресс - форм подразумевает учет противоречивых требований и условий заказчика.

Продуктами этой деятельности выступают отдельные компьютерные модели, над созданием

которых, как правило, трудятся специалисты из различных сфер деятельности. Обычно

новые модели специалисты формируют на базе исходных или ранее сформированных. На

компьютерных моделях проверяют узкие места в проектных работах и возможные

последствия тех или иных технических решений в конечной конструкции. По результатам

моделирования проводят соответствующие доработки в конструкции пресс - формы.

Мировая практика позволяет выделить следующие ведущие компании, выполняющие

сегодня проектирование и изготовление пресс - форм для литья пластмасс под давлением на

основе компьютерных моделей: Dassault systèmes (Франция), Autodesk (США), РТС (США),

Unigraphics (Германия), Delcam pic (Англия), Cimatron (Израиль), Гемма (Россия) и т.д.

В состав предоставляемого этими компаниями специального программного

обеспечения для проектирования пресс-форм входят:

• средства моделирования собственно пластмассовой детали;

• средства моделирования конструкции пресс - формы;

10

• средства моделирования процесса литья;

• средства моделирования процесса обработки деталей пресс - формы, в первую очередь формообразующих.

Само проектирование опирается на совмещенное моделирование пластмассовой детали и пресс - формы для ее изготовления, и носит итерационный характер. Сформированная модель пластмассовой детали отрабатывается на технологичность, проверяется достаточность толщины стенки детали для ее изготовления в пресс - форме, строятся уклоны, требуемые при литье для извлечения пластмассовой детали из пресс -формы, выбирается линия разъема, определяются формообразующие поверхности пуансона и матрицы. При разработке конструкции пресс - формы, как правило, используются библиотеки параметрических моделей производителей стандартных деталей: НА5СО, ОМЕ, риТАВА, и т.д., которые могут быть дополнены или модифицированы пользователем в соответствии со стандартами, нормалями или иными техническими требованиями, которые используются на конкретном предприятии. На сформированной модели конструкции пресс -формы выполняют моделирование процесса литья на основании выбранного материала, определяют время и достоверность заполнения, скорость потока пластмассы, прогнозируют качество и т.д. При моделировании процесса обработки наиболее трудоемким является получение формообразующих поверхностей пресс - формы для обработки на оборудовании с ЧПУ.

Сегодня мировая практика использования компьютерного моделирования в прессформостроении использует следующую схему организации деятельности (рис. 4).

Визуализация результатов моделирования

Значения с выходными результатами моделирования

с

и

Рис. 4. Существующая схема использования компьютерного моделирования В подходах ведущих компаний, выполняющих сегодня проектирование и изготовление пресс - форм для литья пластмасс под давлением на основе компьютерных моделей можно выделить следующие ограничения:

• отсутствует единая информационная модель предметной области, а, следовательно, и устойчивые взаимосвязи на понятийном уровне между набором различных

компьютерных моделей. (Связь между разными моделями осуществляется через специалиста. На рис. 4 это изображено в виде пунктирных линий);

• отсутствует прогнозирование развития ситуации в ходе проектирования и изготовления;

• отсутствует информационная поддержка, как при проектировании, так и при разработке управляющих программ для обработки деталей пресс - форм;

• отсутствует накопление лучших решений для их дальнейшего повторного использования;

• программное обеспечение реализовано как жесткая законченная система «под ключ». Практически за любым расширением возможностей системы необходимо обращаться к разработчику программного обеспечения и платить дополнительные деньги.

Устранить приведенные ограничения возможно путем внедрения новой информационно - технологической среды на основе РЬМ/САЭ/САЕ/САМ систем, поддерживающей весь жизненный цикл совмещенного проектирования пластмассовой детали и пресс - формы для её изготовления в условиях системы взаимосвязанных компьютерных моделей.

Для обеспечения интеграции все используемые компьютерные модели и порождаемые ими характеристики должны быть согласованы между собой в единой компьютерной базе знаний (рис. 5).

Организация производства деталей из пластмасс

с использованием ПФ

-/-

1.31) \kuimi. М1:11\р11мс пластмассовой " испытания МФ на

, детали ¿-\ тсрмгхластавтомате

/ 2 Компьютерная ^ ^ . ,.

( М1№.н> ТП ^ ' Комт.мюрпан

бачя шанпи

IV пластмассовой- I—.. .....

у ....................¿Л,

1м'мн1,м1ерн:п 1 0

._, модель процесса 2 р1

' сборки ПФ | ^

. детали V "\у *Г §

мо к-.чг. 4 ,;П чкис п> и ищшмення 1-

К1)ПС1рчм1ии « ►||п|р\11Ч)|"р:н\|01ц||\ чао ген ^

пр^с-формм Ц(11||;|С1анм-с 41IV --

Информационно - юмю.кп ичеекпя среда Исио.нии ели

Рис. 5. Роль и место системы взаимосвязанных компьютерных моделей при проектировании и изготовлении пресс - форм в условиях информационно - технологической среды (в нижнем овале выделен объект исследований настоящей работы)

При использовании системы взаимосвязанных компьютерных моделей появляется возможность поиска и разрешения большего числа коллизий с помощью соответствующих

12

программных инструментов. Все это приводит к значительному сокращению сроков проектирования и изготовления пресс - форм.

Круг задач (рис. 6), решаемых средствами компьютерного моделирования при проектировании и изготовлении пресс-форм, значительно расширен по сравнению с традиционным подходом (рис. 1).

1. Проектирование и доработка 2. Доработка и изготовление

по результатам по результатам

компьютерного моделирования пробных партий литья

-► Исходные данные •«—г-*-

- 3D модель изделия

Технологическая схема реализации процесса литья

CL

Компьютерное моделирование процессов литья (CAD/CAE) - Анализ процессов литья по компьютерным моделям

-О-

■ Конструктивная (компоновочная) схема (3D модель ПФ) 3 D модель обработки в САМ системе

- Реализация технологической оснастки в «металле»

Изготовление на ТПА и контроль пробных партий литья

-О-

Инструкция по эксплуатации

-а

3. Доработка и изготовление по результатам эксплуатации

Сырье +ПФ+Термопластавтомат —*ДЕТАЛЬ

4. Эксплуатация пресс - формы на производстве для изготовления ДЕТАЛИ_____

Рис. 6. Этапы технологической подготовки производства деталей из пластмасс с использованием компьютерного моделирования

Основой представления деятельности по решению задач машиностроения и ее переводу к компьютерному варианту с использованием объектно-ориентированного подхода выступают следующие простые концепции:

1. Все в области машиностроения рассматривается в качестве объектов, имеющих свойства;

2. Существенные для деятельности свойства объектов именуются и хранятся на ЭВМ в форме элементов словаря понятий (А1...Аг);

3. Свойства объекта могут получать свое значение только в результате следующих действий: значение задано в техническом задании, значение получено в ходе выполнения проектной процедуры и значение установлено по умолчанию.

4. Взаимосвязи между свойствами могут быть заданы в форме следующих отношений: формул, таблиц, параметрических чертежей, ЗО - моделей, выполнения компьютерного моделирования и т.д. Запись отношений осуществляется только с использованием элементов словаря понятий.

5. Результат проектирования достигается в ходе проектной деятельности множества специалистов различного профиля (расчетчики, конструктора, технологи, производственники и т.д.);

6. Работу всех специалистов в машиностроении можно представить через ограниченное множество видов деятельности (ввод и редактирование значений данных, работа с таблицами, выполнение инженерных расчетов, графическое редактирование и т.д.);

7. Управление потоком работ (извещение о свершении события, организация деятельности специалиста по принятию решений (утверждение решения, отказ от решения и т.д.), сохранение и передача результатов) в ходе проектирования в компьютерной среде осуществляется с помощью систем автоматизированной поддержки информационных решений.

ГЛАВА 3. ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕСС-ФОРМ

В главе рассмотрены вопросы создания компьютерных баз знаний для проектирования и изготовления пресс-форм для литья пластмассовых деталей под давлением (на примере формообразующих частей), взаимосвязи системы автоматизированной поддержки информационных решений и компьютерных баз знаний, приведены предпосылки для использования объектно-ориентированного подхода при создании компьютерной базы знаний для проектирования пресс-форм.

Предлагаемый в работе метод решения по проектированию и изготовлению пресс-форм для литья деталей из пластмасс под давлением основан на применении объектно-ориентированного подхода при создании системы взаимосвязанных компьютерных моделей. Этот подход заключается в том, что в предметной области (в данном случае проектирование и изготовление пресс-форм) выделяется множество объектов, взаимосвязанных контекстом жизненного цикла проектирования и изготовления пресс-формы. Каждый из объектов обладает свойствами модульности, полиморфизма, инкапсуляции и абстрактности. Важно, что в нашем случае свойства таких выделенных объектов для конструирования технологической оснастки описываются в компьютерной базе знаний на языке, понятном специалисту предметной области. Таким образом, опыт по проектированию и изготовлению пресс-форм, накопленный за десятилетия на отдельных заводах (стандарты предприятий, твердые копии чертежей с описанием конкретных конструкций и нормативно-справочная литература), переносится в РЬМ/САО/САЕ/САМ систему в виде символьной и графической частей компьютерной базы знаний и сценариев действий специалистов, которые в

дальнейшем могут быть использованы другими разработчиками в своей практической деятельности.

Использование объектно-ориентированного подхода при проектирование пресс-формы для литья пластмассовых деталей под давлением основывается на том, что, несмотря на большое количество разнообразных пресс-форм, использующихся в производстве, в каждой из них можно выделить следующие самостоятельные (выполняющие законченную функцию) объекты: формообразующие части пресс - формы для формирования внешнего облика пластмассовой детали, пакеты плит, система крепления пресс-формы к термопластавтомату, система крепления плит в единую конструкцию пресс - формы, система центрирования плит, литниковая система для подвода расплава к формообразующей части пресс-формы, система выталкивания изготавливаемой пластмассовой детали из пресс-формы после ее затвердевания, система охлаждения расплава под давлением, дополнительные системы, например, привода стержней и др. механизмы (в сложных пресс формах).

Все перечисленные объекты в той или иной модификации присутствуют в любой пресс-форме для литья деталей из пластмасс под давлением, независимо от того, предназначена ли эта форма для литья простых или сложных деталей (резьбовых или армированных), от количества гнезд и плоскостей разъема, от типа термопластавтомата и т.д. Любой из этих объектов имеет свой сценарий проектирования, свой словарь понятий, свои графические и символьные зависимости. Таким образом, проектирование пресс-формы может свестись к проектированию отдельных объектов, составляющих ее, которые затем объединяются в едином проекте с учетом контекста процессов проектирования и изготовления конструкции пресс-формы. Для создания компьютерной базы знаний следует перевести в компьютерную среду всю необходимую информацию о проектировании пресс-формы, т.е. создать единую информационную модель предметной области, включающую словарь понятий отдельных свойств объектов, символьные и графические отношения между этими свойствами, сценарий проектирования пресс-формы из типовых узлов (рис. 7).

В главе установлены типы взаимосвязей при принятии решений в ходе проектирования и изготовления пресс-форм (рис. 8).

ГЛАВА 4. ИТЕРАТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕМ И ИЗГОТОВЛЕНИЕМ СЛОЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА БАЗЕ НАБОРА КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ИНФОРМАЦИОННО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

В главе содержится описание процесса проектирования пресс- форм для литья пластмасс под давлением на основе компьютерных моделей, показана роль и место итеративного управления проектированием в условиях информационно - технологической среды.

Рис. 7. Состав компьютерной базы знаний

Итеративные методы организации принятия решений у Исполнителя открывают возможность постепенного превращения требований Заказчика в готовую конструкцию пресс - формы. Это достигается на основе итерационного трансформирования ранее полученных решений (в начальный момент - это требования Заказчика) через набор согласованных компьютерных моделей.

Набор компьютерных моделей с высокой степенью вероятности обеспечивают всестороннее тестирование вариантов разработки и сокращают потребность в натурном эксперименте. При этом каждая компьютерная модель размещается отдельно, является завершенной (в меру достигнутого на текущий момент уровня формализации процесса), обеспечивает практическую реализацию пресс-формы и через компьютерные базы знаний интегрируется с другими моделями. Компьютерная база знаний реализована как открытая система, которая может пополняться и модернизироваться по мере необходимости. Таким образом, собственно компьютерные базы знаний и компьютерные модели выступают как средство формализации и накопления знаний о процессах проектирования и производства пресс-форм в условиях информационно-технологической среды (рис. 9).

Главное отличие нового подхода от прежних методов проектирования пресс-форм заключается в том, что создаваемый в ходе текущего проекта информационный объект в виде модели пресс-формы носит виртуальный характер и предназначен для коллективного использования (рис. 9).

Информационная модель пресс-формы, накапливаемая в рамках текущего проекта, -это хорошо скоординированная, согласованная, взаимосвязанная, поддающаяся расчетам и анализу, имеющая геометрическую провязку числовая информация о проектируемой конструкции пресс-формы, которая используется для:

Информация о компонентах ПФ

Символьная и графическая информация об изготавливаемой пластмассовой детали

Символьная и графическая информация об объектах конструкции пресс - формы

Согласование в рамках управляемой системы моделей

Ж По согласованию с заказчиком

Выбор из базы данных в зависимости от других размеров

О Инженерные расчеты по формулам

Компьютерное моделирование

Отображение способов согласования на структуре ПФ ТТ Формообразующие.

компоненты

■ Блок ПФ

Литниковая система

Матрица Пуансон Плиты Изоляция Центрирующие втулки и колонки Толкатели, контртолкатели Замки

'Литниковые центральные втулки Инжекторы Коллекторы Винты Штифты Упоры Опоры

Система

термостатирования -рО- Трубопроводы

1Ж Датчики Механизмы [сдвижного стержня

1^")Наклонного толкания цЛДвойного раскрытия

■ Крепеж

Рис. 8. Типы взаимосвязей при принятии решений в ходе создания пресс-формы

Рис. 9. Структура имитационной среды для проектирования и изготовления пресс-форм на основе системы компьютерных моделей

(закрашены элементы среды, в которых автор принимал участие)

• принятия согласованных проектных решений коллективом специалистов;

• создания оперативной проектной документации;

• предсказания эксплуатационных характеристик пресс-формы;

• составления смет и заказов на приобретение покупных комплектующих;

• изготовления отдельных компонентов на оборудовании с ЧПУ;

• управления эксплуатацией.

Применение набора компьютерных моделей существенно облегчает процесс проектирования и изготовления пресс-форм и имеет массу преимуществ перед традиционными формами проектирования. Прежде всего, набор компьютерных моделей позволяет в виртуальном режиме:

• собрать воедино и представить в трехмерном виде конструкцию пресс-формы,

• подобрать по предназначению, рассчитать, состыковать и согласовать создаваемые разными специалистами и организациями сборочные узлы будущей конструкции пресс-формы,

• заранее проверить их жизнеспособность, функциональную пригодность, эксплуатационные качества,

• избежать внутренних нестыковок (коллизий) внутри конструкции пресс-формы.

Данная технология позволяет, на основе воссоздания с высокой степенью достоверности собственно объекта изготовления (пластмассовой детали) и протекающих в ходе ее изготовления процессов, отладить на наборе компьютерных моделей основные проектные решения (рис. 10).

При этом особо важно подчеркнуть, что информационная модель обеспечивает все эксперименты на виртуальной конструкции пресс-формы.

Проверка может принимать различные формы, включая формальный (математический) анализ (например, тепловой, прочностной, анализ проливаемости полимера в пресс-форме и т.д.). Однако в машиностроении проверка гораздо чаще выливается в запуск трехмерной модели и имитацию ее работы на ЭВМ с целью эмпирической верификации текущего состояния разработки.

В табл. 1 приведены четыре краеугольных различия в традиционном и итеративном подходах к управлению проектированием и изготовлением пресс-форм.

Содержащуюся в модели пресс-формы информацию можно получать для внешнего использования в виде:

• чертежной 2D рабочей документации и чертежных 3D - видов моделей;

• плоских 2Б-файлов и объемных 3D - моделей для использования в различных CAD -программах;

• таблиц, ведомостей и спецификаций;

Рис. 10. Набор компьютерных моделей, отражающих этапы проектирования

Спецификация

I модель изделия

омпы^щ

I модель матрицы

Компьютерная модель рабочей части ПФ в сборе

и изготовления пресс-формы

компьютерная модель

Компьютерная м^одель^^^^^^^

Выделяемые точки различий в подходах Подход к проектированию и изготовлению

традиционный на основе системы взаимосвязанных моделей

Управление содержанием проекта Предполагается, что требования на пресс -форму между Заказчиком и Исполнителем точно и полностью определяются заранее в техническом задании с «высокой» степенью точности Неоднозначно сформулированные Заказчиком или неправильно понятые Исполнителем требования вряд ли позволят получить правильное решение. Решения вытекают из согласованных с Заказчиком требований, но при их реализации учитываются как текущие, так и ранее полученные результаты у Исполнителя

Регламентированность процесса деятельности На всем протяжении проекта степень регламентированности деятельности специалиста остается неизменной Регламентированность процесса и средств контроля нарастает по мере реализации, т.е. плавно возрастает от «слабой в начале» (творческая стадия) до «сильной в конце» (производственная стадия)

Сходимость процесса По мере слепого выполнения заранее составленного плана работ без заметных отступлений осваиваются 90% выделенных средств и все недочеты пресс - форм «всплывают» только на натурном образце, когда ни времени, ни ресурсов на исправления ошибок практически не остается. Разработка решений характеризуется не только постоянным движением «вперед», но и возвратами для пересмотра ранее принятых допущений на компьютерных моделях. Признаком устойчивости найденного решения может служить факт, что к фазе окончания работы число и глубина возвратов к началу проектирования для доработок сокращаются.

Контроль над качеством в ходе разработки Тестирование рассматривается как нечто второстепенное и откладывается до появления натурного образца в «металле», т.е. тестирование в полном объеме происходит только на завершающем этапе. На протяжении всей работы над заказом используется согласованный набор компьютерных моделей для тщательного тестирования критических вариантов решений.

• файлов для использования в Интернет;

• файлов с инженерными заданиями на изготовление входящих в модель конструкций;

• файлов - заказов на поставку комплектующих;

• результатов тех или иных инженерных расчетов;

• видеоматериалов, отражающих моделируемые процессы;

• файлов с данными для расчетов в других программах;

• файлов презентационной визуализации и анимации модели;

• объемных разрезов и других полных или неполных фрагментов сборки пресс-формы;

• файлов для трехмерной печати;

• управляющих программ для изготовления модели или ее частей на станках с ЧПУ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Решена задача по повышению качества, сокращению времени и затрат в ходе компьютерной подготовки производства технологической оснастки для получения деталей из пластмасс, имеющая существенное значение для машиностроительных предприятий и заключающаяся в автоматизации процесса проектирования и изготовления пресс-форм с использованием управляемой системы взаимосвязанных компьютерных моделей

2. Установлены связи, "отличительной особенностью которых является подход к проектированию и изготовлению пресс-форм не на основе отдельных разрозненных компьютерных моделей, а с помощью управляемой системы компьютерных моделей, обеспечивающих итерационную деятельность заказчика и исполнителя при производстве сложной технологической оснастки в компьютерной среде.

3. Установленные связи позволили создать общую понятийную модель, увязывающую отдельные компьютерные модели в интегрированную систему и призванную обеспечить координацию и взаимодействие различных специалистов при проектировании и изготовлении пресс-формы на этой основе в условиях информационно-технологической среды.

4. Предложена и обоснована структура и состав символьной и графической частей компьютерной базы знаний, используемой как при проектировании, так и изготовлении пресс-форм для литья пластмасс под давлением.

5. Осуществлена компьютерная реализация системы автоматизированной поддержки информационных решений, обеспечивающая совмещенное проектирование основной детали из пластмассы и пресс-формы для ее изготовления с использованием взаимосвязанных компьютерных моделей, охватывающих трехмерное моделирование детали из пластмассы и конструкции пресс-формы для ее изготовления, моделирование процесса литья, моделирование обработки формообразующих деталей пресс формы на оборудовании с ЧПУ, управление проектным коллективом по реализации конструкции пресс-формы.

6. Результаты работы рекомендованы для внедрения на машиностроительных предприятиях различного профиля, решающих задачи ТПП для производства пластмассовых деталей. Также полученные решения рекомендуется использовать при подготовке инженерных

кадров по направлениям, связанным с проектированием и изготовлением технологической оснастки.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

Публикации в журналах, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК РФ:

1. Евчепко К., Разинков П. Современные CAD/CAM-технологии для производителей штамповой оснастки // САПР и графика, 2009, №12, С.68-71.

2. Евчепко К., Разинков П; Новая САМ-система Delcam for SolidWorks // САПР и графика, 2010, №1, С.8-9.

3. Евчепко К., Разинков П. Геометрическое ядро Parasolid в CAD/CAM-системах Delcam pic: новые возможности // САПР и графика, 2010, №1, С. 10-12.

Другие публикации:

4. Воеводина К.В., Прядильщиков C.B., Разинков П.И. Основы обучения школьников проектированию и изготовлению рельефных поверхностей на оборудовании с ЧПУ. // Колледжу 65'дущего - новые инновационные образовательные технологии. Департамент образования гор. Москвы, Научно-исследовательский институт развития профессионального образования, ГОУ СПО Политехнический колледж № 13, 2011, с. 1824

Подписано в печать:

20.10.2011

Заказ № 6071 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru