автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Автоматизация технологического проектирования операций механической обработки резанием

На правах рукописи

Казаков Алексеи Александрович

РГБ ОД

* 7 ДЕК 1390

УДК 621.9;65.011 56

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПЕРАЦИЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ

Специальность 05.02.08 - "Технология машиностроения" Специальность 05.13.12 - "Системы автоматизации проектирования"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических на\ к

Ижевск - 1999

Работа выполнена в Ижевском государственном техническом университете.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Кугультинов С.Д.

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Гольдфарб В.И.

- кандидат технических наук, с.н.с.. Тарасов В.В.

Ведущее предприятие - ОАО «НИТИ ПРОГРЕСС», г. Ижевск

Защита состоится 12 октября 1999 г. в 14 часов на заседании совета Д064.35.02 в Ижевском государственном техническом университете по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая д.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.

Автореферат разослан 8 сентября 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

"" Крекнин Л.Т.

доктор технических наук, профессор

К6д0.г'6Ч-5-05,0

АННОТАЦИЯ

В диссертационной работе решаются актуальные научные задачи, заключающиеся в автоматизации технологического проектирования операций механической обработки резанием за счет интеграции проектирующего модуля в единую CAD/CAM систему и создания новых стратегии черновой и чистовой обработки на станках с ЧПУ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Системы автоматизированного проектирования занимают исключительное положение среди компьютерных приложений - это индустриальные технологии, непосредственно направленные в сферу самых важных областей материального производства.

Современные CAD/CAM системы дают не только возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции, что, в конечном счете, определяет ее конкурентоспособность.

В настоящее время наибольший интерес проявляется к системам, позволяющим автоматизировать различные этапы технологической подготовки производства. В первую очередь, это относи гея к автоматизации проектирования механической обработки плоских и объемных деталей на станках с числовым программным управлением. Как показали исследования специалистов компании Omega technologies, ltd (рис. 1), 2.5 и 3-х координатная обработка составляет около 96 % от общего объема деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ, поэтому наибольшее внимение уделено вопросам автоматизации именно в этой области.

Распределение объема производства

Рис. 1. Распределение объемов производства применительно к

станкам с ЧПУ

Расчет траектории движения режущего инструмента является одной из наиболее трудоемких вычислительных задач в области автоматизации проектирования технологии. Разработчики CAD/CAM систем постоянно стремятся создавать новые схемы обработки. Например, одной из наиболее популярных является схема «Сечение постоянной плоскостью», которыя позволяет выполнять черновую и чистовую обработку детален любой сложности используя недорогие 2.5 координатные станки.

Наличие в современном производстве различных видов оборудования делает актуальной задачу автоматизации проектирования технологии не только для станков с ЧПУ, но и для любых других его видов. При этом особенно острым становится вопрос интеграции всех этапов технологической и конструкторской подготовки производства и выпуска полного комплекта рабочей документации.

Решению этих задач посвящена данная работа, которая выполнялась в соответствии с отраслевыми и региональными научно-техническими программами.

Цель работы. Автоматизация технологического проектирования операций механической обработки резанием за счет создания новой интергированной CAD/CAM системы, разработки новых схем движения режущего инструмента и создания специализированного модуля проектирования маршрута обработки, позволяющих обеспечить сквозной цикл проектирования и изготовления изделия, уменьшения уровня ручного проектирования.

Методы исследования. Теоретическое исследование процесса автоматизации технологической подготовки производства выполнено на основе современных методов доступа к базам данных разнородной структуры. В качестве лингвистической основы для проектирования использован специализированный технологический язык программирования самостоятельной разработки. Основные расчетные функции выполнены с использованием библиотеки дискретной геометрии, разработанной на основе методов сплайновой и UV-арифметики, векторной алгебры,теории вероятности.

Экспериментальная проверка полученных теоретических положений проводилась на промышленных предприятиях России и Центральной Европы с использованием современного контрольно-измерительного оборудования и персональных компьютеров. Результаты измерений обрабатывались с помощью математической статистики.

Научная новизна состоит в следующем:

• разработан механизм интеграции конструкторского и технологического модулей в новую единую систему проектирования - CAD/CAM ADEM;

• разработаны новые модули формирования траектории движения режущего инструмента различных типов по схемам

«Контурный зигзаг» и «Сечение постоянной плоскостью» для станков с числовым программным управлением;

• разработан механизм булевых операций с многосвязными контурами, используемый при расчете траектории движения режущего инструмента по схеме «Сечение постоянной плоскостью»;

• разработан специализированный модуль в составе CAD/CAM ADEM, автоматизирующий проектирование маршрута обработки поверхностей деталей машиностроения на примере гладких цилиндрических отверстий.

Практическая ценность заключается в создании научно обоснованной методики интеграции конструкторского и технологического модулей в рамках единой системы проектирования, позволяющей обеспечить сквозной цикл изготовления изделия при повышении его качества и достижении значительного экономического эффекта.

Достигнуто повышение эффективности использования станков с ЧПУ при применении схем обработки «Контурный зигзаг» и «Сечение постоянной плоскостью» для черновой и чистовой фрезерной обработки.

Специализированный модуль проектирования маршрута обработки поверхностей деталей машиностроения обеспечивает на стадии разработки сквозных технологических процессов:

• сокращение сроков проектирования;

• снижение себестоимости продукции вследствие сокращения трудоемкости;

• комплексное решение задачи проектирования технологии -от формирования маршрута обработки детали до получения полного комплекта рабочей документации для ее изготовления, включая программы для станков с ЧПУ.

Учитывая комплексный характер проектирования и примене-

ние распределенной модели данных; для созданной автоматизированной CAD/CAM системы введена аббревиатура ADEM (Assignment Design Engineering and Manufacturing - распределенное проектирование, расчет и производство).

Результаты работы внедрены на более чем 10 предприятиях оборонного комплекса в городах: Москва, Ижевск, Томск, Самара, Калинград, Казань и других, с экономических эффектом не менее 18 тыс. рублей на одно рабочее место, в ценах 1998 года.

CAD/CAM ADEM рекомендована Управлением информатики Министерства науки и технологии Российской Федерации в качестве инструмента для комплексной реорганизации системы подготовки производства предприятий оборонной промышленности.

Материалы научных исследований используются в учебном процессе 5 высших учебных заведений России: Ижевском государственном техническом университете, Московском высшем техническом университете им. Н.Э. Баумана, Самарском аэрокосмическом государственном университете им. С.П. Королева, Харьковском авиационном институте, Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована практическим использованием проверенной математической модели, сходимостью полученных теоретических и экспериментальных результатов и соответствием работам, выполненным другими авторами.

Апробация работы. Основные материалы работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-практической конференции «CAD/CAM/CAE системы в инновационных проектах» (г. Ижевск, 1998 г.) и международной конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (г. Ижевск, 1999 г.)

Экспонаты по работе демонстрировались на Всероссийских выставках в городах Москве, Самаре, Санкт-Петербурге и Ижевске.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в том числе одном Свидетельстве об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов, списка литературы и трех приложений.

Диссертация изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 2 диаграммы, 12 таблиц и список литературы из 118 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные положения, определяющие ее научную новизну.

В первой главе приведен анализ состояния вопроса, оценена роль систем автоматизированного проектирования (САПР) вообще и САПР технологических процессов в частности, показана необходимость разработки новой интегрированной CAD/CAM системы автоматизированного проектирования технологии. Поставлены задачи исследования.

Наибольшей гибкости и автоматизации при проектировании технологических процессов можно достичь, используя специализированные проектирующие модули в рамках единой интегрированной CAD/CAM системы. При этом для достижения максимального уровня автоматизации желательно использование «разумного» сочетания аналитических методов проектирования, обеспечивающих полную автоматизацию и небольшие затраты на начальном этапе работы, и типовых методов, дающих большую гибкость и точность при проектировании, но требующих значительных затрат в период внедрения.

Все птапы проектирования необходимо объединить в рамках сквозного процесса проектирования с максимальным использованием его результатов для станков с ЧПУ. Подобная интеграция позво-

ляет обеспечить оперативное внесение изменений в конструкцию и технологию на любом из этапов как проектирования, так и производства. Интегрированные системы позволяют накапливать опыт технологов и использовать его в дальнейшем при создании новых технологических процессов.

Применение современных компьютеров и программ обеспечивает доступ к базам данных, содержащим нормативно-справочную информацию независимо от типа н места расположения подобных баз данных.

Во второй главе работы приведено описание разработанной интегрированной CAD/CAM системы ADEM и ее основных принципов, которыми являются:

• распределенная модель данных;

• адаптивность к различным аспектам производственного процесса;

• унификация входной и выходной информации;

• модульность построения.

• интеграция конструкторской и технологической моделей.

Рассмотрена модель представления информации и взаимодействия модулей. Описана общая структурная схема модулей, входящих в состав CAD/CAM ADEM и модули системы, представленные к защите (рис. 2).

Модуль регенерации технологической модели. В большинстве систем геометрическая информация передается только в одном направлении - от конструкторского модуля к технологическому (рис. 3), в виде набора элементов с реальными геометрическими характеритиками (координаты точек, прямых и т.д.). При таком подходе вносимые конструктором изменения технолог должен обрабатывать каждый раз заново. Степень интеграции при этом крайне низка. Для решения этой проблемы были предложены следующие шаги:

во-первых, использовать в »технологической модели коды элементов вместо конкретных геометрических характеристик.

□

Покупное ПО

ПО собственной разработки М одули, представленные к защите

Рис. 2.

Структура САБ САМ системы А О ЕМ

Реальные контуры формировать по заданным кодам непосредственно перед расчетом траектории движения режущего инструмента;

во-вторых, создать набор программ, которые срабатывают автоматически при выполении конструктором определенных действий и вносят соответствующие изменения в технологию. Тем самым образуется обратная связь между модулями.

Так как в пределах технологии часто приходится проделывать значительный объем изменений, было решено ввести связи между операциями по технологическому переходу и конструктивному элементу, образуя тем самым обратные связи внутри технологического модуля. Общая схема связей между модулями показана на рис. 3.

Рис. 3. Информационные связи между модулями Модуль, реализующий расчет траектории режущего инструмента по схеме "Контурный зигзаг". Инструмент должен двигаться между двумя кривыми. Основная трудность данного метода заключается в том, что исходные контуры могут иметь принципиально различную природу и различное число составляющих элементов. Например, сплайн и дуга окружности. Для решения данной задачи была разработанна следующая методика:

• сначала оба контура преобразуются таким образом, чтобы они содержали равное количество составных элементов, дуг или отрезков;

• затем на полученных кривых формируются опорные точки с шагом, не превышающим глубину резания;

• далее пары опорных точек соединяются, образуя заданную технологом траекторию движения режущего инструмента.

Модуль, реализующий расчет траектории движения режущего инструмента по схеме «Сечение постоянной плоскостью». Рассчитать контур сечения недостаточно, т.к. на основании подобного контура можно построить траекторию движения только для цилиндрических фрез. Поэтому формирование сечения ведется по следующему алгоритму.

Сначала формируется пространственная линия контакта инструмента с поверхностью. Затем по этой линии строится плоский контур движения настроечной точки инструмента так, чтобы эта точка двигалась на заданной высоте.

В результате всех расчетов получается набор многосвязных контуров, так называемых фэйсов. Используя механизм булевых операций, разработанный для этого метода (рис. 4), все множество этих фэйсов образует результирующий контур. Этот контур и является необходимой траекторией движения режущего инструмента.

В третьей главе представлено решение задачи по автоматизации процесса проектирования маршрута обработки поверхностей детален машин применительно к гладким цилиндрическим отверстиям, которое может быть использовано как самостоятельно, так и в виде подсистемы САПР технологических процессов. Причем предпочтение отдается последнему варианту.

С целью уменьшения влияния субъективного фактора и повышения уровня унификации технологических операций в качестве основы для проектирования маршрута обработки поверхностей выбрана методика дифференциального расчета минимального припуска {2Г'" ). межоперационных допусков (7^,), размеров и соотношение величин максимального и нормативного припусков.

- Но, если при расчете межоперационных размеров технологические переходы, составляющие минимального припуска и допуски заданы, то при определении маршрута обработки поверхности (МОП) исходной информацией являются данные о поверхности в заготовке и в детали.

1

1 4-

V1-

ИнЬеотиробанный Фэйс Р

¿¡г (С с С ¡1 и сКг|[,М1г([,1, гдй ¡1=0 и ¡1=0

05"ебинение АУВ А В А В А

Щ) Ш Ф

АиВ=сгаЕ5(А.В] АУ9=1А.В1 АШ=А Пересечение АПВ-Д1В А В А В АВ А^

АПЗ=СГ0551А.В1 АПВ=АиВ=й=0 АПЭ=А"йе=В=В Вычитание А-В=АЦВ

I й А А

А В

С>©

А-В=сго55(А.В!

А-е=1ШД=А А-0=ХОв=[А,8]

Рис. 4. Механизм булевых операций с многосвязными контурами

Проектирование МОП производится следующим образом. Вначале определяется максимальный припуск от заготовки до готовой детали:

утах _ут1п Т _!_Т /"14

^ (з-д>~^ (з-д)'1' 1 Лз+1 Ад 1,и

где, 2.т]п - величина минимального припуска, определяемая по известным выражениям:

а) для цилиндрических поверхностей:

Zmmr=R: r.wj + VW^W :

(2)

б) для плоских поверхностей:

Zmw,==Rz (,.i) + h(i.и+p(i.и + £, .

(3)

Затем выбирается метод финишной обработки, обеспечиваю, щий выполнение требований чертежа детали и имеющий наибольший нормативный припуск метода обработки 2норм(.. Основанием для принятия решения о выборе метода обработки является соотношение

выполняется, то процесс проектирования МОП заканчивается, в противном случае он продолжается, так как необходимо применение либо дополнительных проходов выбранного ранее метода обработки, либо других методов. Требования к следующему переходу устанавливаются, исходя из величины:

процесс проектирования продолжается до выполнения условия (5).

Для гладких цилиндрических отверстий был разработан классификатор. Следует отметить, что количество цифр кода и их характеристики могут изменяться в зависимости от конкретных производственных условий и типов кодируемых поверхностей.

При соответствующей доработке классификатора возможно применение модуля для проектирования маршрута обработки других типов поверхностей.

В четвертой главе описана методика интеграции и апробации модуля САПР МОП и CAD/CAM системы ADEM. Описаны действия пользователя по работе с модулем.

,шах

Используя средства CAD/CAM ADEM, создание модуля можно вести поэтапно: от простого документирования до генерирующего САПР ТП, основой для которых является База Данных ADEM (БДА) - область данных, в которой хранится исходная информация для соз-

дания техпроцесса. Структурная схема БДА представлена на рис. 5.

Рис. 5.

Структурная схема Базы Данных ADEM

Модуль САПР МОП позволяет создавать несколько различных технологических процессов обработки детали, выбирая в дальнейшем наиболее оптимальный. Если автоматическое проектирование не используется, то проектирование ведется в ручном режиме, т.е. создается текущая операция, а далее происходит ручной выбор следующей операции, аналогично тому, как это делалось на предыдущем шаге.

После проектирования маршрута обработки можно выполнить формирование комплекта технологической документации для выбранного технологического процесса или передать информацию в другие модули CAD/CAM ADEM для создания управляющей программы или визуального моделирования результатов обработки.

a AdemOUD - WIlK00D3.adn

: <£айя: Weti¿£t> £е*им "ß&ött Сереже ' Сгозека -

1 '^íIb •■'■■■'••'у'.

ш

•Сей ер хам-e ••

W

-3

Oód: Д«г*1ые í .

_J i

/ 0ópaJjrarb б ere .диаметр 1С мм. гл (j^ 7е*гхшесс NJ1.технолог Жмляе Параметре! •

СлрвэкА

' Onapau*« {Сверление

-v.u. 4 D:¥ЧЬ^Ч,

.;:Ш5рамаазтсс?ь Ia0 Дермой [<Ю~

: : Км.ит ¡14 _A¡

ЬбсгаюванйфрЕкго®; _AJ :

П. Jrxiií^rccN» 1 T04V.X*kejw.rc AA.

lu-Mono

К IIb : HJimf MHrt »

i--. ¿ :i

Рис. 6. Апробация модуля САПР МОП

В процессе апробации был спроектирован маршрут обработки детали, получена управляющая программа и комплект технологической документации, соответствующий стандартам предприятий (рис. 6).

Интеграция модуля САПР МОП в систему ADEM была апробирована на опытном заводе при МВТУ ггм. Н.Э. Баумана, ОАО «Чепецкий механический завод» и других предприятиях, что подтверждается актами внедрения.

Успешная интеграция САПР МОП в систему ADEM позволяет сделать вывод о возможности интеграции системы с множеством других проектирующих модулей. Работа в данном направлении ведется в настоящее время.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании проведенного в работе анализа обоснована необходимость интеграции всех этапов проектирования в рамках единой, сквозной CAD/CAM системы, что обеспечивает сокращение сроков проектирования в 2-3 раза и формирование полного комплекта конструкторе ко-технологической документации.

2. Созданы методы, позволяющие обеспечить практически полную интеграцию конструкторского и технологического модулей. При этом любые изменения в одном из модулей автоматически вносятся в другой.

3. На базе созданого механизма интеграции проектирующих модулей различного назначения разработана CAD/CAM система ADEM, защищенная Свидетельством об официальной регистрации, выданным Российским агентством по правовой охране программ для ЭВМ.

4. В рамках системы ADEM разработаны две новые схемы обработки: «Контурный зигзаг» и «Сечение постоянной плоскостью». Применение последней из них позволяет использовать недорогие 2.5-х координатные станки для обработки объемных деталей, что сокращает их себестоимость в 1.5-2 раза.

5. Создан специализированный модуль проектирования маршрута

обработки поверхностей деталей машин, апробированный на гладких цилиндрических отверстиях и интегрированный в CAD/CAM систему ADEM. Результаты проектирования рекомендовано использовать для формирования ЧПУ-программ и комплекта технологической документации.

6. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах. Результаты работы внедрены на 10 предприятиях оборонного комплекса. Материалы научных исследований используются в учебном процессе 5 высших учебных заведений России

ВЫВОДЫ

1. Использование двухсторонних связей между конструкторским и технологическим модулями и применение кодов элементов для получения конкретных геометрических характеристик в технологической модели обеспечивает автоматическое изменение технологии при корректировке конструкции.

2. Преобразование двух сложных кривых, между которыми в процессе обработки должен перемещаться режущий инструмент в равное количество базовых элементов (дуг и отрезков) и формирование на их основе опорных точек с шагом, не превышающим глубину резания, позволило реализовать новую схему обработки «Контурный зигзаг», применяемую при фрезеровании сложных поверхностей.

3. Использование дискретной геометрии и булевых операций для создания результирующего контура из многосвязных контуров (фэйсов) позволило реализовать схему обработки «Сечение постоянной плоскостью», применяемую при фрезеровании объемных деталей инструментом произвольной формы.

4. Использование дифференциально-аналитического метода расчета припусков и соотношения величин максимального и нормативного припусков позволило автоматизировать процесс проектирования

маршрута обработки поверхностей.

5. Успешная интеграция САПР МОП и системы ADEM открывает перспективы интегрирования в систему ADEM множества других проектирующих модулей.

6. Расширение классификатора обрабатываемых поверхностей позволит применить модуль САПР МОП для проектирования маршрута обработки других видов конструктивных элементов дете-леи

Основное содержание диссертации опубликовании в следующих

работах:

1. Казаков A.A. и др. Система автоматизированного проектирования, изготовления чертежей и управляющих программ для станков с ЧПУ (ADEM). СВИДЕТЕЛЬСТВО об официальной регистрации программ для ЭВМ № 950143, выдано 21 апреля 1995 года РосА-ПО.

2. Чекалин О.В., Казаков А.А, Кашуба JI.A. ADEM глазами конструктора и технолога. - Компьютерная хроника, № 02/98

3. Казаков А.А, Блохнин C.B., Жиляев C.B. Использование CAD/CAM "ADEM'" в производственном и учебном процессе.. -Тезисы доклада всероссийской научной конференции «СAD/CAM/CАЕ системы в инновационных проектах». - Ижевск: ИжГТУ, 1998. - с. 11-12.

4. Казаков A.A., Краснльников A.A., Мальцев A.M. ADEM TDM -инструмент автоматизации планирования производственных процессов. - САПР и Графика, № 3/99

5. Казаков A.A., Шарахов В.Н. Применение CAD/CAM ADEM для изделий со сжатым циклом разработки. - САПР и Графика, № 4/99.

6. Кугультинов С.Д., Казаков A.A. Автоматизированное проектирование маршрута обработки поверхностей. - Компьютерная хроника, № 05/99.

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

1.1. Состояние вопроса по автоматизации технологической подготовки производства.

1.2. Анализ наиболее известных CAD/CAM систем.

1.2.1. Система EUCLID QUANTUM фирмы MATRA Datavision.

1.2.2. Система I-DEAS фирмы SDRC.

1.2.3. Система Power MILL фирмы DELCAM.

1.2.4. Система UNIGRAPHICS фирмы EDS UNIGRAPHICS.

1.2.5. Система КОМПАС 5 фирмы АСКОН

1.2.6. Метаинструментальная система "СПРУТ" компании АО "СПРУТ-ТЕХНОЛОГИЯ".

1.2.7. Система T-FLEX CAD фирмы ТопСистемы.

1.3. Анализ наиболее известных систем автоматизации проектирования технологических процессов.

1.3.1. Система автоматизированного технологического проектирования "ТЕМП".

1.3.2. Система "ТехноПро" группы "Вектор".

1.3.3. САПР технологических процессов механической обработки КОМПАС-Т/М.

1.3.4. Система T-FLEX/Технология фирмы ТопСистемы.

1.4. Результаты анализа систем.

1.5. Постановка задачи исследования.

Глава 2. РАЗРАБОТКА ИНТЕГРИРОВАННОЙ CAD/CAM СИСТЕМЫ ADEM

2.1. Основные положения.

2.2. Основные принципы, заложенные в CAD/CAM ADEM.

2.3. Разработка модулей системы ADEM, представленных к защите.

2.3.1. Модуль регенерации технологической модели.

2.3.2. Модуль формирования траектории режущего инструмента по схеме "Контурный зигзаг".

2.3.3. Модуль формирования траектории режущего инструмента по схеме "Сечение постоянной плоскостью".

Глава 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАРШРУТА ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ПРИМЕРЕ ГЛАДКИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОТВЕРСТИЙ.

3.1. Основные предпосылки для разработки автоматизированной системы проектирования маршрута обработки поверхностей.

3.2. Разработка теоретических основ для автоматизированного проектирования маршрута обработки поверхностей.

3.3. Разработка алгоритмического и информационного обеспечения подсистемы САПР ТП "Маршрут обработки поверхностей".

3.4. Разработка программного обеспечения подсистемы САПР ТП «Маршрут обработки поверхностей».

3.4.1. Основные термины и понятия модуля ADEM-TDM.

Глава 4. ИНТЕГРАЦИЯ ПОДСИСТЕМЫ САПР ТП МОП и CAD/CAM ADEM.

4.1. Общие положения.

4.2. Методика практического использования подсистемы САПР МОП.

4.3. Практическая апробация работы.

4.4. Примеры деталей, созданных с помощью CAD/CAM ADEM.

4.4.1. Вставка теплообменника (НИКИЭТ, г. Москва, Россия).

4.4.2. Прессформа герба г. Москва (WestLABS, г. Харьков, Украина)!

4.4.3. Картер коробки передач гоночного автомобиля Mercedes FIA/GT

Adem technologies, ltd., Dornstad, Germany).

Системы автоматизированного проектирования занимают исключительное положение среди компьютерных приложений - это индустриальные технологии, непосредственно направленные в сферу самых важных областей материального производства.

За последние двадцать лет средства автоматизированного проектирования прошли путь от сравнительно простых чертежных систем до интегрированных программных комплексов, обеспечивающих единую поддержку всего цикла разработки, начиная от эскизного проектирования и заканчивая подготовкой производства, испытанием и сопровождением.

Современные системы автоматизированного проектирования не только дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции, что, в конечном счете, определяет ее конкурентоспособность. Трудно представить себе сегодняшнее промышленное предприятие или конструкторское бюро, на котором не было бы установлено несколько компьютеров и каких-либо программных продуктов, работающих в области автоматизации.

Системы проектирования в масштабах предприятия за рубежом принято определять как CAD/CAM/CAE системы [1], в которых функции автоматизированного проектирования распределяются следующим образом: модули CAD (Computer Aided Design) -для геометрического моделирования и машинной графики; модули САМ (Computer Aided Manufacturing) - для технологической подготовки производства; модули CAE (Computer Aided

Engineering) - для инженерных расчетов и анализа с целью проверки проектных расчетов. Таким образом, современные системы способны обеспечить автоматизированную поддержку работы инженеров и специалистов на всех стадиях проектирования и изготовления продукции.

В России традиционно не существовало деления задач проектирования на конструкторские, технологические и расчетные. Системы, обеспечивающие полную автоматизацию всего процесса проекирования или любого из его этапов, называют системами автоматизировал л оро проект лровалия (САПР) [2].

Наиболее полно требованиям и сути современных САПР отвечают интегрированные комплексы высокоавтоматизированных специализированных систем, разработанных в рамках единой методологии. С этой точки зрения многие сегодняшние системы не являются Системами Автоматизированного Проектирования, так сказать, с большой буквы, а всего лишь "заготовки", на основе которых должны создаваться (или уже частично созданы) специализированные системы различного назначения и уровня. Подобный подход предусмотрен во многих современных разработках, однако, инструментом их специализации являются языки типа С++, либо внутренние языки, причем для доступа только к базовым функциям геометрического и графического ядра, без возможности информационной интеграции и отторжения созданной системы от этого ядра.

Несмотря на различия в формулировках, в дальнейшем будем использовать термин CAD/CAM/CAE или, проще, CAD/CAM, понимая под этим автоматизацию всего (!) процесса, а под термином САПР - автоматизацию любого in этапов (!) общего цикла проектирования.

Анализ известных CAD/CAM систем целесообразно рассмотреть с позиций общих тенденций развития автоматизации.

Как видно из диаграммы 1, доля автоматизации технологической подготовки производства составляет больший процент программных продуктов, специализированных в области CAD/CAM.

На диаграмме 2 показано распределение интереса пользователей CAD/CAM систем по тем же направлениям, что и на диаграмме 1. Анализируя эти диаграммы совместно видим , что спрос на средства автоматизации технологии опережает предложения.

Из диаграммы 2 видно, что в настоящее время наибольший интерес проявляется к системам, позволяющим автоматизировать различные этапы технологической подготовки производства. В первую очередь, это относится к автоматизации проектирования механической обработки плоских и объемных деталей на станках с числовым программным управлением.

Применение подобных станков на современном производстве позволяет значительно сократить сроки изготовления, повысить качество и сложность обрабатываемых деталей, практически недостижимые на универсальном оборудовании.

Как показали исследования специалистов компании Omega technologies, ltd (рис. 1), 2.5 и 3-х координатная обработка составляет около 96 % от общего объема деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ, поэтому наибольшее внимение следует уделять вопросам автоматизации именно в этой области.

Доля направлений программных продуктов, специализированных в области CAD/CAM

Автоматизация конструирования Ш Проектирование техпроцессов

Подготовка управляющих программ

Интегрированное проектирование Ш Комбинированная обработка

Ш Управление проектом

Диаграмма 1

Интерес пользователей CAD/CAM систем распределенный по направления разработки

Автоматизация конструирования В Проектирование техпроцессов

Подготовка управляющих программ

Интегрированное проектирование II Комбинированная обработка

Ш Управление проектом

Диаграмма 2

Распределение объема производства деталей на станках с ЧПУ

1 «г

Рис. 1

Особенно популярным в последнее время становится особый класс станков с ЧПУ - станки скоростного резания [3]. С их применением время обработки сокращается на порядок, т.к. величина подачи может достигать 20000 мм/мин. При использовании таких станков требуется создание новых и доработка существующих схем обработки, позволяющих избегать резких переломов траектории движения режущего инструмента, расчет которой является одной из наиболее трудоемких вычислительных задач в области автоматизации проектирования технологии.

Таким образом, любая современная CAD/CAM система должна обладать возможностью расчета траектории движения инструмента. При этом желательно проводить расчет таким образом, чтобы постоянно контролировать качество получаемой поверхности и избегать зарезания детали, т.е. проникновения инструмента в деталь [4-6].

Для контроля подобных ситуаций CAD/CAM системы должны выполнять моделирование процесса обработки с целью выявления возможных дефектов в расчетах траектории и их своевременного устранения.

Решению этих и других вопросов посвящена данная работа.

В первой главе приведен анализ состояния вопроса, оценена роль систем автоматизированного проектирования (САПР) вообще и САПР технологических процессов в частности, показана необходимость разработки новой интегрированной CAD/C-AM системы автоматизированного проектирования технологии. Поставлены задачи исследования.

Наибольшей гибкости и автоматизации при проектировании технологических процессов можно достичь, используя специализированные проектирующие модули в рамках единой интегрированной CAD/CAM системы. Для достижения максимального уровня автоматизации желательно использование «разумного» сочетания аналитических и типовых методов проектирования. При этом аналитические методы обеспечивают полную автоматизацию и небольшие затраты на начальном этапе работы, а типовые методы дают большую гибкость и точность при проектировании, но требуют значительных затрат в период внедрения [78].

Все этапы проектирования необходимо объединить в рамках сквозного процесса проектирования, с максимальным использованием его результатов для станков с ЧПУ. Подобная интеграция позволяет обеспечить оперативное внесение изменений в конструкцию и технологию на любом из этапов как проектирования, так и производства. Интегрированные системы позволяют накапливать опыт технологов и использовать его в дальнейшем при создании новых технологических процессов [9-1 1].

Таким образом необходима разработка tut тсгрировап // ой CAD/CAM системы.

Во второй главе работы приведено описание разработанной интегрированной CAD/CAM системы ADEM и ее основных принципов.

Данная система позволяет автоматизировать все этапы жизненного цикла изделия от эскизного проектирования до изготовления детали на станках с ЧПУ и получения полного комплекта рабочей документации (чертежи, спецификации, техпроцессы, карты наладки и т.д.). Система является полностью интегрированной CAD/CAM системой с высокой степенью адаптивности к условиям реального производства. Ассоциативные связи между конструкторской и технологической моделями позволяют автоматически учитывать в технологии изменения, вносимые в конструкцию детали [12, 13].

В системе имеется специализированный технологический модуль, позволяющий самостоятельно создавать собственные системы САПР различного назначения [14]. Хорошим примером использования этого модуля является система автоматизированного проектирования маршрута обработки поверхностей (САПР МОП), созданная в рамках данной работы.

Рассмотрена модель представления информации и взаимодействия модулей. Описана общая структурная схема модулей, входящих в состав CAD/CAM ADEM и модули системы, представленные к защите.

Описаны программы, обеспечивающие интеграцию конструкторского и технологического модулей и программы формирования траектории режущего инструмента по схемам "Контурный зигзаг" и "Сечение постоянной плоскостью".

В третьей главе представлено решение задачи по автоматизации процесса проектирования маршрута обработки поверхностей деталей машин применительно к гладким цилиндрическим отверстиям, которое может быть использовано как самостоятельно, так и в виде подсистемы САПР технологических процессов. Причем предпочтение отдается последнему варианту.

С целью уменьшения влияния субъективного фактора и повышения уровня унификации технологических операций в качестве основы для проектирования маршрута обработки поверхностей выбрана методика дифференциального расчета минимального припуска, межоперационных допусков, размеров и соотношение величин максимального и нормативного припусков [15, 16].

Для гладких цилиндрических отверстий разработан классификатор. Следует отметить, что количество цифр кода и их характеристики могут изменяться в зависимости от конкретных производственных условий и типов кодируемых поверхностей. При соответствующей доработке классификатора возможно применение модуля для проектирования маршрута обработки других типов поверхностей.

В четвертой главе описана методика интеграции и апробации модуля САПР МОП и CAD/CAM системы ADEM. Описаны действия пользователя по работе с модулем.

Модуль САПР МОП позволяет создавать несколько различных технологических процессов обработки детали, выбирая в дальнейшем наиболее оптимальный.

После проектирования маршрута обработки можно сформировать комплект технологической документации для выбранного технологического процесса, или передать информацию в другие модули CAD/CAM ADEM.

В процессе апробации был спроектирован маршрут обработки детали, получена управляющая программа и комплект технологической документации, соответствующий стандартам предприятий. Приведены примеры деталей спроектированных и изготовленных с помощью CAD/CAM ADEM.

В заключении приведены результаты и основные выводы по работе.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Использование двухсторонних связей между конструкторским и технологическим модулями и применение кодов элементов для получения конкретных геометрических характеристик в технологической модели обеспечивает автоматическое изменение технологии при корректировке конструкции.

2. Преобразование двух сложных кривых, между которыми в процессе обработки должен перемещаться режущий инструмент в равное количество базовых элементов (дуг и отрезков) и формирование на их основе опорных точек с шагом, не превышающим глубину резания, позволило реализовать новую схему обработки «Контурный зигзаг», применяемую при фрезеровании сложных поверхностей.

3. Использование дискретной геометрии и булевых операций для создания результирующего контура из многосвязных контуров (фэйсов) позволило реализовать схему обработки «Сечение постоянной плоскостью», применяемую при фрезеровании объемных деталей инструментом произвольной формы.

4. Использование дифференциально-аналитического метода расчета припусков и соотношения величин максимального и нормативного припусков позволило автоматизировать процесс проектирования маршрута обработки поверхностей.

5. Успешная интеграция САПР МОП и системы АБЕМ открывает перспективы интегрирования в систему АЭЕМ множества других проектирующих модулей.

6. Расширение классификатора обрабатываемых поверхностей позволит применить модуль САПР МОП для проектирования маршрута обработки других видов конструктивных элементов детелей.

1. Beasnt C.B., Computer-Aided Design and Manufacture, Ellis Horwood Ltd., Chichester, England, 1980

2. Соломойцев Ю.М., Митрофанов В. Г., Прохоров А.Ф., Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении,

3. Modern machine shop, http://www.mmsonline.com

4. Пиль Э.А. Проектирование управляющих программ для фрезерования контуров на станках с ЧПУ с использованием ЭВМ. ВИНИТИ, 1987, № 7

5. Корнеев В.И., Бараев A.A. Методика согласования систем координат детали и станка при разработке САПР ТП-ЧП. ВИНИТИ, 1987, №7.

6. Травин А.И., Бондарев С.Б., Киселев Н.В. и др. Автоматизация проектирования технологических процессов управляющих программ обработки корпусных деталей. JL: Знание, Лен. отд., ЛДНТП, 1990, 24 с.

7. Горанский Г.К., Бендерева Э.И. Технологическое проектирование в комплексных автоматизированных системах подготовки производства. -М.: Машиностроение, 1981. 456 с.

8. Петренко А.И., Семенков О.И. Основы построения систем автоматизированного проектирования. Киев: Вища школа, 1985. - 294 с.

9. Быков А. В., Формула успеха, Автоматизация проектирования, № 5,6/97, omegat@aha.ru.

10. Самохин А. CAD/CAM: материализация виртуальной реальности. Компьютер против кульмана. Техника молодежи, № 7/96

11. Чекалин О., CAD/CAM: новые задачи., Информатика-машиностроение, №№ 7-9/96, omegat@aha.ru.

12. О.В.Чекалин, А.А.Казаков, Л.А.Кашуба., ADEM глазами конструктора и технолога. Компьютерная хроника, № 02/98.

13. Казаков А. А., Шарахов В. Н., Применение CAD/CAM ADEM для изделий со сжатым циклом разработки. САПР и графика, № 4/99, alex@om в gat, ги.

14. Казаков A.A., Красильников A.A., Мальцев A.M., ADEM TDM -инструмент автоматизации планирования производственных процессов, САПР и графика, № 3/99, alex@omegat. ги

15. Маталин A.A., Технология механической обработки, Ленинград:, Машиностроение, 1977. 320 с.

16. Цветков В.Д. Система автоматизации проектирования технологических процессов, Москва: Машиностроение, 1972. 240 с

17. Грувер М., Зиммерс Э. САПР и автоматизация производства. / Пер. с англ.-М.: Мир, 1987.- 528 с.

18. Корсаков B.C., Капустин Н.М., Темпельгоф К.-Х. и др. Автоматизация проектирования технологических процессов в машиностроении. / Под общ. ред. Н.М. Капустина. М.: Машиностроение, 1985. - 304 с.

19. Шпур Г., Краузе Ф.-Л. Автоматизированное проектирование в машиностроении. / Пер. с нем. М.: Машиностроение, 1988. - 648 с.

20. Осипов В.А. Машинные методы проектирования непрерывно-каркасных поверхностей. М.: Машиностроение, 1979. - 248 с.

21. Осипов В.А. САПР. Геометрия подсистема инженерно-геометрических расчетов в автоматизированном производстде изделий машиностроения. -В кн.: Теория автоматизированного проектирования, Харьков : ХАИ, 1979, вып. 1.

22. Кучуганов В.Н. Автоматический анализ машиностроительных чертежей. -Иркутск: Изд-во Иркутского ун-та, 1985. 112 с.

23. О.Г. Власов, В.И. Казаченок, И.Б. Покрас, и др., Интенсификация обработки металлов давлением, Ижевск: Удмуртия, 1989.

24. Хухлаев Е. Интегрированная среда Euclid Quantum. Открытые системы. -№ 6/97. С. 69-73, huh@keldvsh.ru.

25. Гусева Н, Лазарев Е, Дань моде или жизненная необходимость?, САПР и графика, №1/99

26. Лихачев А., Лихачев A, EUCLID и детали из пластмасс, САПР и графика, №4/99

27. Карташева Е. Интегрированные технологии SDRC. Открытые системы. -№ 5/97. С. 72-77, boldar@kiam.ru.

28. PowerMILL-система подготовки программ для 3-х и 4-х координатных станков с ЧПУ. http://www.delcam.ru.

29. PowerMill Расширение средств редактирования, Информатика-Машиностроение, №3(13)/96

30. Абакумов В. Как правильно выбрать САПР. Открытые системы. № 2/97. - С. 52-54. уictor(a)Mg-eds.msk.su.

31. UNIGRAPHICS SOLUTION, http://www.ugsolutions.ru.

32. Бормалев С., Червонных С., Практическое применение EDS Unigraphics в авиастроении, Открытые Системы № 2 1997

33. Потапов А., Чигишев Ю., Комплексное решение задач автоматизированного проектирования, инженерного анализа и технологической подготовки производства, САПР и графика, №11/98

34. Каталог программных продуктов, поставляемых АО АСКОН. Январь-апрель, 1998 г.36. http:'www, as сол. ru.

35. Описание метаинструментальной системы «СПРУТ», http://www.spmt.ги.

36. Крючков А., Лазебник Е., Вопросы комплексной автоматизации предприятий., САПР и графика, №7/97

37. Печенкин А., Система конструкторско-технологической подготовки производства, Компьютер-Пресс №2/9740. http://www. topsystems.ru

38. Басин А., Крюков В., Пчелкина M. Программно-методический комплекс автоматизированного технологического проектирования «Темп». САПР и графика, 12/97. 97 с.

39. Крюков В.В., Пчелкина М.А., Автоматизация технологического проектирования средствами системы "ТЕМП", Автоматизация проектирования №1/99

40. Т-Р1ех/Технология система автоматизированного проектирования технологических процессов. - http://www.topsystems.ru.

41. Кураксии С.А., Ксеиофонтов Д.К., Ефремов А.Н. T-FLEX CAD: профессиональное решение задач проектирования. ComputerWorld-Казанъ, № 6/98.

42. Лихачев Андрей, Лихачев Александр. «ТехноПро» новый уровень проектирования технологии. САПР и графика, 09/98.

43. Якимович Б.А., Методы укрупненного нормирования в машиностроении и перспективы получения прогнозной трудоемкости, Информатика-Машиностроение, № 3(13) 1996.

44. Цветков В.Д. Системно-структурное моделирование и автоматизация проектирования технологических процессов. Минск: Наука и техника, 1979. - 264 с.

45. Ступаченко A.A. САПР технологических операций. Л.: Машиностроение, 1988. - 234 с.

46. Вещенко Ю.Л. Автоматизация анализа технологических процессов при решении задач типизации. Минск, 1985.

47. Дубровский В.В. Развитие современных методов автоматизации проектирования технологических процессов в машиностроении. М.: Машиностроение, 1987. - 48 с.

48. Быков В.П. Методическое обеспечение САПР в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1989. - 255 с.

49. Голоденко Б.А., Смоленцев В.П. САПР в мелкосерийном производстве. -Воронеж: Изд-во ВГУ, 1991.-124 с.

50. Базилевич Л.А. Автоматизация организационного проектирования. Л.: Машиностроение, 1989. - 176 с.

51. Вермишев Ю.Х. Основы автоматизации проектирования. М.: Радио и связь, 1988. - 280 с.

52. Гордон A.M., Сергеев А.П., Смоленцев В.П. и др. Автоматизированное проектирование технологических процессов. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1986.- 196 с.

53. Соломенцев Ю.М., х Митрофанов В.Г., Прохоров А.Ф. и др. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении. М.: Машиностроение, 1986. - 256 с.

54. Свешников Е.П., Паншин Б.А., Яковлев С.К. и др. Система автоматизированного проектирования технологических процессов механической обработки деталей в диалоговом режиме. Л.: ЛДНТП, 1988.-24 с.

55. Жилшиков В.В., Зильберглейт С.П., Гах В.Я. и др. Опыт разработки и внедрения САПР предприятий энергетического машиностроения. Л.: ЛДНТП, 1986.-24 с.

56. Яковлев С.К., Паншин Б.А., Филиппов А Н. Автоматизированная система проектирования технологических процессов механической обработки деталей в условиях группового производства. Л.: ЛДНТП, 1985. - 24 с.

57. Ткачева О.Н, Кузнецова А.П. Современные автоматизированные системы проектирования технологических процессов в машиностроениию Обзор. -НИИмаш, 1984. 72с.

58. САПР режущего инструмента для обработки металлов. ВИНИТИ, 1995. -№5.

59. Новая система CAD/CAM. ВИНИТИ, 1994. - № 5.

60. Система технико-экономической изделий. ВИНИТИ, 1994. - № 5.

61. Система автоматизированного проектирования. ВИНИТИ, 1994. - №7.

62. Компьютерное устройство для САПР. ВИНИТИ, 1994. - № 3.

63. Проектирование дисковой фасонной фрезы с помощью САПР. ВИНИТИ, 1995. - №4.

64. Хокс Б. Автоматизированное проектирование и производство. / Пер. с англ. -М.: Мир, 1991.-296 с.

65. Фурунжиев Р.И. и др. САПР, или как ЭВМ помогает конструктору. -Минск: Высшая школа, 1987. 205 с.

66. Лушников Ю.К. Системы автоматизации проектирования. М.: Знание, 1984.-64 с.

67. Эккарначчо Ж., Шлехтендаль Э. Автоматизированное проектирование. Основные понятия и архитектура систем. / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986.-288 с.

68. Интегрированное программирование в САПР. / Пер. с нем. ВИНИТИ, 1987. -№ 5.

69. Высокодворский И.А., Дорстер Е.А., Анасьев С.Ф. и др. Система автоматизированного расчета режимов резания на корпусные детали, обрабатываемые на станках с ЧПУ, в САПР технологических процессов. -ВИНИТИ, 1987. -№ 10.74,75,76