автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение эффективности автоматизированного проектирования технологической оснастки на основе создания математической модели, учитывающей влияние точности звеньев технологической системы

На правах рукописи

Г.) од

УДК 621.9.07(75)

Забиякин Станислав Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ НА ОСНОВЕ СОЗДАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ, УЧИТЫВАЮЩЕЙ ВЛИЯНИЕ ТОЧНОСТИ ЗВЕНЬЕВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Специальность: 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов

и производств

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Москва 1998 г.

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Московского Государственного технологического университета "Станкин".

Научный руководитель Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие

доктор технических наук, профессор Гусев A.A. доктор технических наук, профессор Павлов В.В. кандидат технических наук, заместитель главного инженера АО МПО им. И. Румянцева Новоселов В.И. ВНТП "Алгоритм"

Защита состоится "_"_1998 года

в_час._мин. на заседании диссертационного Совета

К 063.42.04 Московского Государственного Университета "СТАНКИН" при МГТУ "СТАНКИН" по адресу: 101472, ГСП, Москва, К-55, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "СТАНКИН".

Автореферат разослан "_"_1998 года.

Отзыв на автореферат просьба направлять в двух экземплярах по адресу: 101472, ГСП, Москва, К-55, Вадковский пер., д. За. Ученому секретарю диссертационного Совета К 063.42.04.

Ученный секретарь диссертационного Совета К 063.42.04, /П

доктор технических наук ' /

Горшков А.Ф.

Общая характеристика работы

Актуальность. Современная технологическая оснастка широко используется при производстве различной машиностроительной продукции. От ее качества во многом зависит эффективность работы и качество изготовления новых машин. Технологическая оснастка часто представляют собой сложные, многокомпонентные иерархические структуры со сложными взаимосвязями ее составляющих элементов. Разнообразие технологических процессов порождает большое многообразие конструкций оснастки, отличающихся по выполняемым функциям, конфигурации, степени универсальности и типизации.

Удельный вес технологической оснастки в себестоимости продукции машиностроения составляет 10-12%. На ее проектирование и изготовление в стране ежегодно затрачивалось около 2 млрд. руб. (по ценам 1985 года), что в современных ценах составляет около 12 млрд. руб.). Только в машиностроении выпускалось 40 млн. единиц технологической оснастки в год и ее производством занималось около 0,5 млн. квалифицированных специалистов, включая и проектировщиков.

Производство технологической оснастки носит резко выраженный индивидуальный характер. Это сильно отражается на методах, целях, задачах и структуре процессов технической подготовки их производства.

Труд конструктора и технолога, занимающихся технологической оснасткой, требует значительных затрат времени и средств на поиск исходных данных, проведение расчетов, построение графиков, выполнение чертежей, надписей к ним, составление таблиц, спецификаций и других текстовых документов в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД. Ряд работ включают рутинные операции, занимающие до 90% времени от общего времени проектирования. Это особенно существенно при проектировании несложных по типовому исполнению конструкций технологической оснастки.

Цель работы. Повышение эффективности автоматизированного проектирования за счет сокращения временных затрат на проектирование технологической оснастки с одновременным обеспечением ее заданного качества.

Научные задачи.

1. Установление качественных и количественных взаимосвязей между универсальными конструктивными элементами технологической системы.

2. Выявление универсальных конструктивных элементов, обеспечивающих описание конструкции технологической оснастки и учитывающих влияние точности составляющих звеньев технологических размерных связей.

3. Разработка универсальной математической модели, учитывающей влияние звеньев технологической системы на точность технологической оснастки.

4. Разработка методики автоматизированного проектирования технологической оснастки с созданием программного обеспечения системы автоматизированного проектирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что выявлены формализованные размерные и точностные взаимосвязи технологической оснастки для изготовляемой детали с оборудованием и инструментом и на основании обобщения предшествующего опыта предложена математическая модель технологической оснастки и ее элементов, послужившая основой для разработки программного обеспечения и создания САПР технологической оснастки.

Практическая ценность.

1. Выявлены универсальные конструктивные элементы технологической системы и установлены качественные и количественные взаимосвязи между ними, обеспечивающие описание конструкций технологической оснастки с учетом влияния точности составляющих звеньев технологических размерных связей.

2. Разработана универсальная математическая модель, учитывающая влияние звеньев технологической системы на точность технологической оснастки.

3. Разработана методика автоматизированного проектирования технологической оснастки, и создано программное обеспечение системы автоматизированного проектирования технологической оснастки, подтверждающее эффективность предлагаемой методики.

Методы исследования. В работе были проведены исследования с использованием методов математического моделирования. При теоретических исследованиях были использованы основные положения техноло-

гии машиностроения, методы точностного анализа сборочных систем, методики прочностных и силовых расчетов сопротивления материалов и теоретической механики. В качестве предмета анализа и классификации элементов технологической оснастки для синтеза конструктивно-технологических решений использовались проектные разработки технологической оснастки ОАО "Знамя".

Реализация работы. По договору с ОАО "Знамя" на основе разработанной в МГТУ "Станкин" методики была создана САПР оправок. Результаты работы реализованы в разработках ВНТП "Алгоритм" программного обеспечения САПР технологической оснастки применительно к сборочному производству автоматических выключателей на заводе "Электроконтактор".

Апробация работы. Результаты работы докладывались на кафедрах "Автоматизация сборочных производств" и "Технология машиностроения" МГТУ "Станкин", а также использовались для подготовки методического обеспечения к лабораторным и практическим работам по курсу "Системы автоматизированного проектирования".

Публикации. По материалам диссертации было опубликовано 5 печатных работ и составлен отчет по выполненной хозрасчетной работе для ОАО "Знамя".

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 123 стр. текста, 72 рисунка, приложения на 32 стр. и списка литературы из 78 наименований.

В введении дается технико-статистическое обоснование необходимости автоматизации проектирования технологической оснастки.

В главе I приводится краткий анализ современного состояния теории и практики автоматизированного проектирования технологической оснастки. Анализ показал, что ряд существенных задач автоматизированного проектирования технологической оснастки исследован недостаточно и не нашли своего решения, что создает трудности даже при автоматизированном проектировании такой широко распространенной технологи-

ческой оснастки, как разнообразные по конструктивному исполнению оправки.

Возможность автоматизации инженерного труда при проектировании доказал докт. техн. наук, проф. Горанский Г.К. еще в 50-е годы, сразу после появления первых отечественных ЭВМ. Им и его последователями были заложены основы автоматизированного проектирования, в том числе и технологической оснастки, на базе которых были созданы в Белорусской академии наук под руководством докт. техн. наук, проф. Горанского Г.К. и докт. техн. наук, проф. Раковича А.Г. САПР кондукторных плит и САПР рычагов. Докт. техн. наук, проф. Ракович А.Г. предлагал при автоматизированном проектировании использовать готовые решения в отношении отдельных элементов приспособлений с тем, чтобы уменьшить объем информации. Однако многообразие таких элементов ввиду большого многообразия конструкций технологической оснастки может привести к резкому падению производительности системы САПР.

В начале 80-х годов в МГТУ "Станкин" совместно с СКВ автоматических линий и агрегатных станков были выполнены большие работы по автоматизации проектирования кондукторных плит для агрегатных станков и по проектированию технологических процессов сборки машиностроительных изделий с участием докт. техн. наук, проф. Гусева A.A. Работы, выполняемые под руководством чл. корр. РАН Соломенцева Ю.М., докт. техн. наук, проф. Гусева A.A., докт. техн. наук, проф. Митрофанова В.Г., докт. техн. наук, проф. Павлова В.В. и других ученых, продолжаются в "Станкине" и в настоящее время. Данная работа является продолжением этих работ.

Анализ работ, посвященных автоматизированному проектированию технологической оснастки показывает, что необходимы дальнейшие интенсивные исследования в этой области. С этой целью вскрыты и сформулированы наиболее общие закономерности, управляющие процессами проектирования оснастки, и разработаны элементы теории комплексного решения возникающих при этом задач. Частично разработаны основные теоретические положения алгоритмического синтеза конструкций оснастки. Определена среда функционирования оснастки и предложена система входных данных для автоматизированного проектирования. Определено понятие типового изображения конструктивного элемента, установлены информационные взаимосвязи между ними, решены вопросы графической, цифровой и программной интерпретации типового изображения, предло-

жены методы создания информационного обеспечения САПР приспособлений. Осуществлено системно-структурное моделирование конструкций и построены информационные модели оснастки в целом и ее элементарных составляющих.

Однако, ряд существенных задач проектирования не исследован пли проработан недостаточно. .Еще исследованиями докт. техн. наук, проф. Балакшина Б.С. и многих других ученых было доказано, что решение вопросов точности изготовляемых изделий должны изучаться совместно с воздействием всех действующих факторов технологической системы.

В практике нередко наблюдаются случаи, когда изделия, изготовленные даже по одному и тому же технологическому процессу, отличаются друг от друга и от заданного. Это объясняется рядом причин. Избежать этих погрешностей нельзя, однако можно создать такие условия работы, чтобы эти погрешности были наименьшими и находились в пределах предусмотренных допусков на изготовление деталей. Поэтому необходимо:

- выявить взаимосвязь параметров оснастки от параметров технологической системы;

- рассмотреть ранее недостаточно исследованную группу приспособлений для изготовления деталей типа втулок;

- формализовать связи между изготавливаемой деталью, ее точностью, оборудованием и инструментом для проектирования технологической оснастки на ЭВМ;

- дать стандартизированное описание входной информации при автоматизированном проектировании приспособлений;

- рассмотреть ранее недостаточно проработанную идею построения специальных приспособлений по принципу УСП;

- создать целостную концепцию методики автоматизированного проектирования.

Обобщение результатов исследования позволило сформулировать цели и задачи исследования.

В главе 2 исследуется влияние на конструкцию технологической оснастки размерных и точностные параметры заготовки и комплекса других параметров технологической системы.

В образовании размеров обрабатываемых заготовок деталей и относительных поворотов их поверхностей участвуют своими размерами и относительными поворотами детали станка, оснастки и режущего инстру-

мента. С помощью размерных связей образуются размеры и должна быть получена их точность и точность относительных поворотов поверхностей изготовляемых деталей.

Для исключения влияния многозвенных размерных цепей целесообразно использовать принцип "наикратчайшего пути".

На практике точность технологической оснастки задается в 3 раза выше точности изготовляемого изделия. Данное значение подтверждается эмпирическим путем как удовлетворяющее большинству типовых технологических процессов, и может быть теоретически обосновано как решение обратной задачи размерного анализа методом равных влияний (распределение допуска замыкающего звена - изготовляемого изделия, по составляющим звеньям: оборудованию, инструменту и технологической оснастке).

Однако, как известно, решение обратной задачи размерного анализа не целесообразно вести данным методом. Решение же методом равных влияний ограничивается, как правило, громоздкостью вычислений по формулам и методикам разных областей науки (теоретической механики, теории резания, сопротивления материалов и др.), а также сжатыми сроками проектирования технологической оснастки.

Конструкции технологической оснастки в общем случае представляют собой сложные, многокомпонентные, иерархические структуры со сложными взаимосвязями составляющих элементов. Анализ существующих конструктивных элементов в автоматизированном проектировании показал невозможность проведения размерного анализа с их использованием, что нередко приводит к необоснованному ужесточению допусков на составляющие звенья технологической оснастки. Возможность же проведения размерного анализа позволило бы осуществить выбор экономически целесообразного метода достижения точности замыкающего звена, а следовательно сократить затраты на изготовление деталей из-за их завышенной точности.

При автоматизированном проектирования технологической оснастки данные аспекты должны быть учтены. Это возможно при разработке математической модели, способной описать как технологическую оснастку, так и элементы технологической системы.

В главе 3 предложена удобная для проектировщика и для обработки вычислительными методами модель, содержащая достаточную информацию не только об оснастке, но и о технологической системе. Предло-

женная математическая модель, составляется из универсальных конструктивных элементов (УКЭ), которые, в общем случае, представляют совокупность двух плоских кривых любой сложности, приводящихся к единообразному описанию с помощью функций кривых Безье. Применив к универсальным конструктивным элементам аффинные преобразования, можно описать любой трехмерный сколь угодно сложный объект. Выбранная математическая модель наиболее универсальна, является компактным контейнером информации о реальных объектах и легко поддается математическому анализу и математической обработке.

Исследования докт. техн. наук, проф. Балакшина Б. С. показали, что схемы базирования зависят от формы поверхностей обрабатываемых заготовок, большинство которых, как правило, ограничено плоскими поверхностями и поверхностями вращения: цилиндрическими или коническими, используемыми в качестве опорных баз. Поэтому, охватив математическим описанием данные поверхности, можно получить математическое описание большинства изделий машиностроения.

Известно три вида математического описания деталей удобных для проектирования с применением современных вычислительных средств -это поверхностная модель, проволочная модель и модель твердого тела.

Выбор поверхностной модели описания оказывается достаточно громоздким даже при описании простых геометрических тел и приводит к необходимости решения уравнений четвертого порядка даже для простых поверхностей, не говоря уже про описание более сложных: резьбовых поверхностей, поверхностей с насечкой и др.

Более привычной для работы проектировщика может оказаться проволочная модель детали. Проволочная модель представляется совокупностью конечного числа отрезков кривых, принадлежащих поверхности, ограничивающей некоторое геометрическое тело в пространстве. Каждая из кривых может быть задана конечным числом точек, принадлежащих данной кривой или ее касательной, уравнением кривой и комбинированным способом. В работе даны описания различных моделей.

Проволочная модель помимо задания конкретных точек удобна еще и тем, что даже фасонную поверхность можно описать набором отрезков достаточно простых кривых. Более того, ввод исходной информации для описания детали с использованием проволочной модели можно упростить, используя двухуровневое описание объектов.

При двухуровневом описании на первом уровне описывается прово-

лочная модель геометрического тела единичной величины в своей системе координат (которая в общем случае может быть представлена массивом координат опорных точек), на втором уровне используются операции аффинного преобразования в пространстве (масштабирования, переноса, поворота и отражения). В общем случае суммарная матрица преобразований имеет следующий вид:

а1 а2 а3 0

РУ Р; Рз 0

ъ Ъ Ъ 0

X И V 1

Таким образом, можно преобразовывать в пространстве проволочные модели единичных геометрических тел, заданные массивом координат опорных точек, подействовав на этот массив, найденной матрицей аффинных преобразований.

Дополнив указанные выше преобразования логическими операциями И, ИЛИ, НЕ и комбинируя единичные геометрические тела, создаются проволочные модели любой даже сложной детали.

При этом математическое описание такой детали будет достаточно компактным и легко читаемым.

При правильном выборе локальной системы координат для единичного геометрического тела, его описание можно свести к описанию двух плоских кривых: направляющей и образующей, тем самым, получая возможность хранения массива не тройки, а пары координат опорных точек и матрицы связи двух плоских систем координат. Кроме того, такой вариант описания позволяет более широко применять преобразование масштабирования в рамках геометрического тела одного класса.

В данной главе вводится понятие УКЭ, как произвольное геометрическое тело единичной величины, описанное совокупностью плоских кривых (замкнутой направляющей и произвольной образующей) в своих системах координат.

Использование УКЭ позволяет свести моделирование составляющих технологической размерной цепи, практически, к плоскостной задаче и дает возможность описать любое сложное изделие машиностроения.

В существующих системах автоматизированного проектирования информация о заданной кривой хранится, как правило, в том виде как она

была задана проектировщиком, например окружность - координатами центра и радиусом, что приводит к хранению большого количества исходной информации при описании сложной кривой, например контура кулачка. Использование сплайнов, нашедших широкое распространение в дизайнерских программах, позволяет описать произвольную кривую всего одной формулой. Существует много сплайн функций. В работе показано, как следует выбирать сплайны с тем, чтобы одной из них однозначно и достоверно восстановить профиль ранее заданной кривой. Однако, желательно, чтобы запись этой функции была проста. Поэтому в данной работе было отдано предпочтение модификации кривых Безье, бета сплайнам, для решения поставленной задачи.

Использование проволочной модели в чистом виде при проектировании - не совсем удачно, так как графическая информация о конструкции изделия затруднительна для восприятия. Модель же твердого тела изобилует излишней информацией для проектирования. Поэтому необходимо оснастить проволочную модель дополнительной информацией, как то -информация о материале изделия, сведения о шероховатости поверхностей и точности размеров. Сюда же можно отнести и информацию о сложной поверхностной структуре, будь то резьба или насечка.

Таким образом, математическое описание детали сведется к следующему:

п

О = £ к*{(Тт ,Т51), ({[501., ад.А/^.М,-)}, (2)

¡=1 '

где п - число УКЭ, необходимое для описания изготовляемой детали; Л,- коэффициент, принимающий значения 1 или -1 в зависимости от типа поверхности (наружная или внутренняя соответственно); Тш и Тй - текстуры задающие свойство материала изготовления и свойства поверхностей составляющих УКЭ соответственно; и - матрицы опорных точек образующей и направляющей 1-го УКЭ соответственно; Ми - матрица связи направляющей и образующей ¡-го УКЭ; М^ - матрица аффинного преобразования 1-го УКЭ.

То есть, данная форма хранения информации об изделии компактна, удобна в задании и параметризации, легко классифицируема, а, следовательно, позволяет значительно убыстрять поиск аналога в базе данных.

В главе 4 прослеживаются зависимости параметров математической модели и необходимых технологических параметров, а также формулиру-

ются признаки подобия объекта и аналога. На основании логического анализа математической модели даются конкретные рекомендации по выбору схем базирования, вариантов установки и т.д. Кроме того, сделана попытка совместить логико-математический метод синтеза рабочих поверхностей оснастки с традиционными методами ее расчета, тем самым обеспечив преемственность новых методов проектирования.

Анализ методик ручного проектирования технологической оснастки позволяет сделать вывод о присутствии существенных отличий в методиках проектирования различных классов приспособлений. В частности, такие отличия особенно ощутимы при точностных и прочностных расчетах приспособлений. В момент же создания сборочного чертежа технологической оснастки требуется индивидуальный подход к любым видам, даже принадлежащим к одному классу.

Однако существуют и наиболее общие закономерности процессов проектирования. Так по исходным данным: чертежам заготовки и детали, а также маршрутам обработки выявляют служебное назначение и формулируют технические требования на технологическую оснастку, позволяющие выявить характер, направление и величины сил и моментов, действующих на объект производства в процессе изготовления. Далее выбирается схема базирования. Затем производится точностной расчет, уточнение схемы базирования и установки. Прочностной расчет позволяет выбрать рациональную схему закрепления. И, наконец, выполняется сборочный чертеж технологической оснастки.

Учитывая наиболее общие закономерности и последовательность ручного проектирования, можно разработать алгоритм автоматизированного проектирования, укрупненная блок-схема которого представлена на рисунке 1.

Математическая модель легко поддается математическому анализу и математической обработке. Благодаря чему достаточно легко прослеживаются зависимости параметров математической модели и необходимых технологических параметров, а также формулируются признаки подобия объекта и аналога.

В главе 5 проводится совместный анализ этапов ручного проектирования и разработанных методов выполнения операций с предложенными математическими моделями, которые позволяют сформулировать основные требования к системе автоматизированного проектирования. На основании этого удалось создать алгоритм универсальной САПР техноло-

Рис. 1. Укрупненная блок-схема алгоритма автоматизированного проектирования

Рис. 1. Продолжение

Рис. 1. Продолжение

Нормализованный ряд величин

Определение

масштаба изображения

^Г —г Определение формата

Темплеты форматов 4—►

Типы линий

Типы штриховок

Вычерчивание документа

Печать

X

^ Конец ^

Синтез документации

Рис. 1. Продолжение

4

гической оснастки. Благодаря тому, что введение в процесс проектирования математической модели не противоречит накопленному опыту проектирования, системе автоматизированного проектирования технологической оснастки удалось предать свойства экспертной и обучаемой системы, что позволяет решать любые задачи проектирования технологической оснастки для механообработки и сборки.

Разработанная демонстрационная версия САПР, учитывающая требования к созданию интуитивно понятного интерфейса, позволяющего надежно управлять процессом проектирования, показала, что в комплексе с современным оборудованием, за счет своей универсальности, гибкости и простоты, способна обеспечить высокое быстродействие, и тем самым значительно ускорить процесс проектирования.

Пошаговый анализ работы САПР показал, что алгоритм положенный в основу САПР выполняет все необходимые функции, и способен автоматизировать процесс проектирования технологической оснастки. При этом отсутствуют ограничения на вид и сложность проектируемой оснастки, на оборудование, инструмент и технологические операции. Если существующие САПР разрабатывались для проектирования оснастки определенного вида, то рассматриваемая, в основу которой положена математическая модель, которая учитывает параметры заготовки, детали, базовых поверхностей станка и самой оснастки. Эта математическая модель строится на основе УКЭ, способна моделировать объекты любой сложности и является универсальным инструментом проектирования технологической оснастки.

Благодаря тому, что САПР технологической оснастки - экспертная, она способная настраиваться под конкретные задачи пользователя, т.е. может содержать информацию, соответствующую специфики предприятия, на котором функционирует данная САПР. Это достигается тем, что в процессе работы базы данных по оборудованию, инструменту и пр. пополняются информацией специфичной для данного производства. САПР технологической оснастки - обучаема. Она способна работать и с нулевыми базами данных, однако эффективность ее работы нарастает по мере пополнения баз.

Структура САПР предусматривает возможность оперативного вмешательства оператора в процесс автоматизированного проектирования для управления программой, корректировки и контроля промежуточных и окончательных результатов работы САПР и пополнения баз данных.

Гибкая структура САПР позволяет: использовать стандартные программы, такие как AutoCAD, Word в качестве интерфейсов ввода и вывода графической и текстовой информации, дает возможность наращивать ее путем подключения интерактивной помощи и других локальных САПР. Так оснащение САПР системой интерактивной помощи и подсказок дает возможность оператору быстро овладеть навыками работы с программой, а подключение к ней локальных САПР, например, по расчету режимов резания, выбору оборудования, подготовки программ для станков с ЧПУ и т.д., позволяет создать САПР всего технологического процесса.

Компьютеризация процесса проектирования позволяет перейти к безбумажной технологии обработки, хранения и архивации конструкторской документации, получить доступ к локальным базам по средствам подключения к рабочим группам и глобальным базам сети Internet.

В главе 6 дан анализ возможностей системы автоматизированного проектирования технологической оснастки, который показал, что алгоритм положенный, в основу САПР выполняет все необходимые функции, и способен автоматизировать процесс проектирования технологической оснастки.

Выполнение проектной документации при помощи САПР технологической оснастки разного рода оправок из номенклатуры проектируемых на ОАО "Знамя" показало значительное сокращение сроков проектирования и "дружественность" пользовательского интерфейса системы.

Для расчетов экономической эффективности внедрения системы автоматизированного проектирования технологической оснастки (САПР технологической оснастки) использовалась методика определения экономической эффективности новой техники.

Решение о целесообразности внедрения САПР технологической оснастки принималось на основе экономического эффекта, рассчитываемого для годового объема производства (годового экономического эффекта). За расчетный год принимается первый год после окончания планируемого (нормативного) срока освоения новой техники. Как правило, это второй или третий календарный год использования новой технологии.

Основные технико-экономические показатели, по которым ВНТП "Алгоритм" принимал решение о целесообразности внедрения САПР технологической оснастки (здесь базовый вариант - место проектировщика без использования САПР технологической оснастки, новый вариант - место проектировщика оснащенное САПР технологической оснастки):

1. Количество рабочих мест в базовом и новом варианте - 1 шт.;

2. Увеличение производственной площади в новом варианте на 4 м2;

3. Дополнительные капитальные затраты - 58355,15 р.;

4. Дополнительные эксплутационные расходы - 4044,78 р./год.;

5. Затраты времени на выполнения одного проекта в базовом варианте -216 ч. и 14 ч. - в новом;

6. Производительность труда - 100 % в базовом и 1543 % в новом варианте;

7. Себестоимость одного проекта - 6704,80 р. в базовом и 715,32 р. в

новом варианте;

8. Приведенный экономический эффект - 6,4 тыс. р.;

9. Годовой экономический эффект - 0,8 млн. р.

Расчеты экономической эффективности показали, что внедрение одного рабочего места, оснащенного данной системой автоматизированного проектирования, на предприятие с программой выпуска более 14 проектов в год дает положительный годовой эффект, равный 6,4 тыс. р. с каждого проекта. При полной же загрузке автоматизированного рабочего места годовой эффект должен составить 0,8 млн. р.

Заключение

Данная работа является законченной научно-исследовательской работой, в которой полностью решены поставленные научные задачи:

1. Установлены качественные и количественные взаимосвязи между универсальными конструктивными элементами изготовляемых изделий и универсальными конструктивными элементами технологических оснасток -оправок для обработки на металлорежущих станках.

2. Выявлены универсальные конструктивные элементы, обеспечивающие описание конструкций различных оправок, учитывающих влияние точности составляющих звеньев технологических размерных связей на качество изготовляемых изделий.

3. Разработана математическая модель, служащая универсальным контейнером информации достаточной для качественного автоматизированного проектирования оправок.

4. Предложены рациональные алгоритмы графической обработки математической модели с целью наглядного представления этапов проектирования на ЭВМ.

5. Разработана методика и на ее основе создано программное обеспечение САПР по автоматизированному проектированию технологической оснастки - оправок различного назначения.

6. Даны практические рекомендации по наращиванию САПР технологической оснастки, и возможному включению ее в САПР технологической подготовки производства.

7. Предложен простой, наглядный вид входной информации, стандартизация которого для автоматизированного проектирования технологической оснастки обеспечивает значительное сокращение сроков проектирования.

Внедрение показывают, что удельная экономическая эффективность может достигать 6 тыс. р. на один проект технологической оснастки средней сложности при выполнении более 14 проектов в год. При полной загрузке автоматизированного рабочего места достигается экономия в 800 тыс. р. в год.

Данных экономический эффект достигается за счет сокращения временных затрат на проектирование до 14 часов (с 216 часов) на оснастку средней сложности. При этом качество проектирования улучшается за счет учета влияния точности звеньев технологической системы на точности технологической оснастки. Тем самым, достигнута поставленная цель, заключающаяся в повышении эффективности автоматизированного проектирования за счет сокращения временных затрат на проектирование технологической оснастки с одновременным обеспечением ее заданного качества.

По теме диссертации опубликованы следующие работы автора:

1. Автоматизированное проектирование технологической оснастки механосборочного производства. - М: "Машиностроитель", "Информатика машиностроения", 1997, №3, с. 34.

2. Повышение эффективности проектирования технологической оснастки механосборочного производства. - М.: "Машиностроение", "Автоматизация и современные технологии", 1997, №12, с. 25.

3. Глобальная информатизация и ее социальные последствия. - М.: "Image Publishing", "Компьютер и жизнь", 1997, №5, с. 52.

4. Повышение эффективности механосборочного производства за счет минимизации грузопотока. Тезисы докладов конференции "Качество и эффективность процессов производства." - Краматорск, 1993, с. 5.

5. Оптимизация грузопотока в механообрабатывающих производствах. - М.: "Машиностроение", "Автоматизация и современные технологии", 1994, №8, с. 16.

Работы 4 и 5 опубликованы в соавторстве с Вороненко В. П.

Введение.

Глава

Постановка задачи исследования.

1.1. Теория и практика автоматизированного проектирования технологической оснастки машиностроительного производства

1.2. Анализ и систематизация видов технологической оснастки.

1.3. Цели и задачи исследования.

Выводы.

Глава

Выявление взаимосвязи между элементами технологической системы.

2.1. Формирование размеров и точности изготовляемого изделия в технологической системе

2.2. Пути изменения технологической системы для сокращения размерных связей

2.3. Выбор схем базирования заготовки

2.4. Выявление общности конструктивных решений для автоматизированного проектирования различной технологической оснастки.

Выводы.

Глава

Математическое моделирование технологической оснастки и ее конструктивных элементов.

3.1. Выбор математической модели для описания элементов технологической оснастки

3.2. Методы преобразования в пространстве математических моделей элементов технологической оснастки

3.3. Универсальные конструктивные элементы

3.4. Выбор функции описания универсальных конструктивных элементов.

3.5. Математическая модель для описания технологической системы.

Выводы.

Глава

Выявление взаимосвязи между математическими моделями технологической системы.

4.1. Выявление рациональной последовательности проектирования технологической оснастки

4.2. Установление взаимосвязи между технологическими параметрами и параметрами математической модели изготовляемой детали.

4.2.1. Назначение операции и обрабатываемой поверхности

4.2.2. Определение движений формообразования

4.2.3. Выявление характера, направления и величин сил, действующих на объект производства

4.2.4. Выбор базовых поверхностей и рациональной схемы базирования заготовки.

4.3. Соответствие между схемами базирования и вариантами установки заготовки.

4.4. Формулирование критериев подобия математической модели синтезированных элементов оснастки математическим моделям библиотеки данных

4.5. Соответствие геометрических размеров и точности оснастки от параметров технологической системы

Выводы.

Глава

Разработка системы автоматизированного проектирования технологической оснастки.

5.1. Требования к системе автоматизированного проектирования.

5.2. Интерфейс системы автоматизированного проектирования технологической оснастки

5.3. Требования к структуре баз данных.

5.4. Структура системы автоматизированного проектирования технологической оснастки .;.

5.5. Пошаговый анализ работы системы автоматизированного проектирования при конструировании конусной оправки

5.6. Этапы разработки технологической оснастки системой автоматизированного проектирования

Выводы.

Глава

Технико-экономическая эффективность системы автоматизированного проектирования технологической оснастки.

6.1. Область рационального применения системы автоматизированного проектирования технологической оснастки.

6.2. Экономическая эффективность внедрения системы автоматизированного проектирования технологической оснастки.

Выводы.

В последнее время наметилась стабилизация и частичный подъем отечественного промышленного производства. В связи с этим на первый план выходит проблема своевременного обеспечения производственных процессов необходимым количеством отечественных высококачественных станочных, сборочных и др. приспособлений.

Современные технологические приспособления (технологическая оснастка) представляют собой широко распространенную разновидность промышленных средств производства, от которых во многом зависит эффективность и качество изготовления новых машин и приборов. Конструкции оснастки в общем случае представляют собой сложные, многокомпонентные иерархические структуры со сложными взаимосвязями составляющих элементов. Разнообразие технологических процессов порождает большое многообразие конструкций оснастки, отличающихся по конфигурации, выполняемым функциям, степени универсальности и типизации .

Производство технологической оснастки носит резко выраженный индивидуальный характер. Это отражается на методах, целях, задачах и структуре процессов технической подготовки их производства.

Удельный вес технологической оснастки в себестоимости продукции машиностроения составляет 10-12%. По данным 1985г., на ее проектирование и изготовление в стране ежегодно затрачивалось порядка 2 млрд. руб. (что в современных ценах составляет около 14 млрд. руб.). Только в машиностроении выпускалось 4 0 млн. единиц технологической оснастки в год и ее производством занималось 0,5 млн. квалифицированных специалистов, в том числе и проектировщиков.

Процесс технической подготовки производства оснастки включает два вида проектной деятельности: конструирование и технологическое проектирование. Конструирование охватывает процессы разработки оснастки и получения документации на нее. Технологическое проектирование содержит процессы разработки маршрутных технологий изготовления деталей и сборки приспособлений, нормирования работ, выбор заготовок и покупных изделий, полуфабрикатов, оборудования и оснастки для их изготовления, определение статей затрат, технико-экономические расчеты себестоимости изготовления оснастки, стоимости материалов и полуфабрикатов.

Труд конструктора и технолога, занимающихся технологической оснасткой, требует значительных затрат времени и средств на поиск исходных данных, проведение расчетов, построение графиков, выполнение чертежей, надписей к ним, составление таблиц, спецификаций и других текстовых документов в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД. Некоторые работы содедержат рутинные операции, занимающие до 90% времени от общего времени проектирования. Это особенно существенно при проектировании несложных или типовых конструкций оснастки и технологических процессов. Диаграмма средних трудовых затрат на конструирование оснастки приведена на рис. 1. Наибольший удельный вес в них падает на разработку общего вида конструкций и на выполнение рабочих чертежей деталей.

Трудоемки процессы поиска, анализа и отбора необходимой информации: чертежей-аналогов, справочных данных, стандартов и др., для отбора которых в разрозненных, иногда

Ознакомение с заданием на проектирование 3,5%

В Поиск информации 16,3%

Выполнение необходимых расчетов 5,5%

Разработка чертежа общего вида 38,3%

В Деталировка 26,8%

Составление спецификаций 3,5%

Ш Сверка калек 3,1%

Контроль 3%

Рис. 1, Диаграмма трудовых затрат на ручное конструирование технологической оснастки.

Рис. 2. Взаимосвязь проектирования технологической оснастки с другими производственными процессами. противоречивых источниках требуется немало времени, опыта и знаний.

Проектирование технологической оснастки осуществляют в тесной взаимосвязи с другими процессами (рис. 2). Информация о них играет важную роль при разработке конструкций технологической оснастки.

Конструкторская документация технологической оснастки, как правило, выполняется на одной совмещенной стадии технического проекта и рабочей документации. Затраты времени необходимые на разработку [53]:

Т=098Т1+Т2 (1) где 7/ - заираты времени на разработку технического проекта; Т2 - затраты времени на разработку рабочей документации (табл. 1).

Таблица 1. п/п Наименование Формат Время, ч. Примечания

Технический проект

1. Сборочный чертеж А1 48, 7

2. Деталировка АЗ 31 10 деталей

3. Расчеты А4 89,1 20 листов

4 . Сверка А4 10,2 68 форматок

Итого: 179

Рабочая документация

1. Сборочный чертеж А1 31,5

2. Деталировка АЗ 16 10 деталей

3. Спецификация А4 17, 5 5 форматок

4 . Сверка А4 8 53 форматки

Итого: 73

Таким образом, затраты времени на разработку конструкторской документации технологической оснастки средней сложности, состоящей из 10 деталей, составляет Т = 0,8 • 179 + 73 = 216 часов. То есть при 8 часовом рабочем дне и 22 рабочих днях в месяц, требуется 1,23 человек • месяц.

Во многих случаях такая документация служит один раз, как правило, для изготовления одного - двух изделий. Поэтому степень детализации получаемых инженерных решений невысокая, а время, отводимое на проектирование - небольшое. Следовательно потребуется большой штат конструкторов.

Для обеспечения конкурентоспособности изделий отечественного машиностроения первоочередной задачей является снижение себестоимости продукции и сроков проектирования. Оснастка должна обладать требуемым качеством, обеспечивать гибкость и ускоренную переналаживаемость оборудования при освоении новых видов продукции. Необходимо существенно повысить производительность труда работников, занятых технической подготовкой инструментального производства, и рабочих, изготавливающих средства технологического оснащения.

Существует несколько неальтернативных путей решения снижения себестоимости технологической оснастки: широкое внедрение прогрессивных систем сборно-разборных приспособлений; оснащение инструментального производства новейшей специализированной техникой; применение передовой технологии изготовления оснастки; улучшение организации труда работников, занятых ее конструированием и изготовлением, и др.

Успехи в области вычислительной техники послужили основой для моделирования процесса мышления человека при инженерном творчестве. Для сокращения сроков технологической подготовки производства создаются специальные автоматизированные системы проектирования на основе применения математических методов и средств вычислительной техники. Созданы системы автоматизированного проектирования (САПР) расчета размерных цепей, режущего инструмента, станков, режимов резания и др. Ведутся работы и по созданию САПР технологической оснастки.

Главной технико-экономической предпосылкой автоматизации проектирования технологической оснастки явились условия сложившиеся внутри машиностроительного производства, когда проектирование и изготовление приспособлений явилось лимитирующим звеном в цикле технологической подготовки машиностроительного производства.

Значительное сокращение сроков проектирования и изготовления приспособлений, снижение себестоимости проектных работ и повышение качества создаваемых конструкций с одновременным повышением уровня нормализации конструкций приспособлений и увеличения степени оснащенности технологических процессов могут быть достигнуты в результате использования автоматизированного проектирования с применением современной вычислительной техники.

Автоматизация проектирования приспособлений и построение соответствующих систем автоматизированного проектирования требует расширения исследований, направленных на обобщения опыта и существующих методов проектирования, на разработку соответствующей теории и методик. Необходимы глубокие структурно-функциональные исследования конструкций технологической оснастки, требуется анализ взаимодействия оснастки со средой в процессе выполнения своих функций и на основе этого создание программного обеспечения системы автоматизированного проектирования технологической оснастки.

Выводы

Анализ возможностей системы автоматизированного проектирования технологической оснастки показал, что алгоритм положенный в основу САПР выполняет все необходимые функции, и способен автоматизировать процесс проектирования технологической оснастки. При этом отсутствуют ограничение на вид и сложность проектируемой оснастки, на оборудование и инструмент и технологические операции. Если существующие САПР разрабатывались для проектирования оснастки определенного вида, то рассматриваемая САПР, в основу которой положена математическая модель заготовки, детали, базовых поверхностей станка и самой оснастки, благодаря тому, что математическая модель строится на основе УКЭ, способная моделировать объекты любой сложности, является универсальным инструментом проектирования технологической оснастки.

Расчеты экономической эффективности показали, что внедрение одного рабочего места, оснащенного данной системой автоматизированного проектирования, на предприятие с программой выпуска более 14 проектов в год дает положительный годовой эффект, равный 6,4 тыс. руб. с каждого проекта. При полной же загрузке автоматизированного рабочего места годовой эффект должен составить 0,8 млн. руб.

Заключение

В работе предложены пути, разработаны методы и сформулированы принципы повышения эффективности автоматизированного проектирования.

• На основании обобщения предшествующего опыта предложена структура универсальной САПР, способной разрабатывать широкий круг технологической оснастки.

• Выявлены основные зависимости параметров математической модели и параметров обрабатывающего комплекса, формализованы связи между изделием, его точностью, оборудованием и инструментом для проектирования технологической оснастки на ЭВМ.

• Предложен простой, наглядный вид входной информации, который мог бы стать основой для стандартизации входной информации при автоматизированном проектировании технологической оснастки.

• Активно использовалась перспективная идея построения специальных приспособлений по принципу УСП.

• Разработана целостная концепция методики автоматизированного проектирования.

На основании результатов сделаны соответствующие выводы и даны практические рекомендации.

Разработанная демонстрационная версия универсальной системы автоматизированного проектирования технологической оснастки подтверждает правильность сделанных выводов, а экономические расчеты показали значительный экономический эффект. Таким образом, задачи, поставленные в данной работе, решены, а цель - достигнута.

1. А. Г. Гривачевский, А.Г. Ракович, Б. И. Синицын "Автоматизация проектирования технологической оснастки и инструментов." Мн., 1978.

2. В.В. Адамчик, А.Г. Ракович, С.А. Юревич "Методические материалы по автоматизации приспособлений." Мн., 1975.3. "Разработка и внедрение систем автоматизированного проектирования технологической оснастки" Рига, 1984.

3. А.Г. Ракович "Разработка и исследование метода автоматизированного проектирования приспособлений с использованием ЭЦВМ.", автореферат кандидатской диссертации Мн.: ИТК АН БССР, 1966.

4. А.Г. Ракович "Автоматизация проектирования приспособлений для металлорежущих станков." М.: "Машиностроение", 1980.

5. А.Г. Ракович "Основы автоматизации проектирования технологических приспособлений." Мн.: "Наука и техника", 1985.

6. И.Ю. Ардова "Автоматизированное проектирование технологической оснастки." Мн., 1987.12. "Автоматизация проектирования технологической оснастки ." Мн.: ИТК АН БССР, 1987.

7. В.А. Трайнев "Экономика автоматизации инженерных работ." М.: "Энергия", 1975.

8. Г.К. Горанский и др. "Элементы теории автоматизации машиностроительного проектирования с помощью вычислительной техники." Мн.: "Наука и техника", 1970.

9. А.Н. Дашкевич, Г.В. Махнач, А.Г. Ракович "Программа преобразования исходной информации для автоматизированного проектирования приспособлений." Мн.: 1980.

10. B.C. Балакшин "Теория и практика технологии машиностроения." В 2-х кн. / Под ред. Б.М. Базрова, И.М. Колесова, Ю.М. Соломенцева и др. М.: "Машиностроение", 1982 .

11. Г.К. Горанский "Формальный метод распознавания размерных цепей конструкций при автоматизированном проектировании." В кн.: "Вычислительная техника в машиностроении." -Мн., 1967.

12. В.П. Фираго " Основы проектирования технологических процессов и приспособлений." М.: "Машиностроение", 1973.

13. A.B. Проскуряков "Технико-экономические основы нормализации и унификации приспособлений." М.: "Машгиз", 1963.

14. В.А. Блюмберг, В.П. Близнюк "Переналаживаемые станочные приспособления." JI.: "Машиностроение", 1978.

15. В.И. Захаров "Технология токарной обработки." JT. : "Лениздат", 1972.

16. B.C. Кузнецов, В.А. Пономарев "Универсально-сборочные приспособления в машиностроении." М.: "Машгиз", 1955.

17. A.A. Гусев "Адаптивные устройства сборочных машин." -М.: "Машиностроение", 1979.

18. ОСТ 3-3781-77. "Цепи размерно-точностные. Методы расчета на ЭВМ." Издание официальное, 1978.27. "Справочник технолога машиностроителя." / под ред.

19. М.А. Ансеров "Приспособления для металлорежущих станков." / под ред. Н.Г, Гутнер Л.: "Машиностроение", 1975.

20. Н.И. Зависляк "Приспособления к металлорежущим станкам." Л.: "Машиностроение", 1967.

21. К.В. Игнатов "Возможности использования универсально-сборных приспособлений (УСП) в машиностроении." Мн., 1970.

22. A.B. Коваленко, Р.Н. Подшивалов "Станочные приспособления." М.: "Машиностроение", 1986.

23. Н.П. Косов "Станочные приспособления." М.: "Машиностроение", 1968.

24. Н.П. Косов "Станочные приспособления для деталей сложной формы." М.: "Машиностроение", 1973.

25. А.П. Абрамов "Основы конструирования станочных приспособлений." Новосибирск, 197 6.

26. В.А. Горохов "Проектирование и расчет приспособлений."- Мн.: "Вышэйш. шк.", 1986.

27. B.C. Корсаков "Основы конструирования приспособлений."- М.: "Машиностроение", 1983.

28. А.И. Половинкин, Г.С. Чумаков "Поисковое проектирование и конструирование станочных приспособлений." Волгоград, 1987.

29. А.П. Драгун, С.Г. Карпов и др. "Прогрессивная оснастка, приспособления и инструмент." Л.: "Лениздат", 1979.43. "Прогрессивные конструкции станочных приспособлений." / под ред. Блюмберга Л.: "Машиностроение", 1968.

30. А.И. Жабин, Г.П. Холод и др. "Универсально-сборная и переналаживаемая оснастка." Киев: "Техника", 1982.

31. Ю.А. Цопорин "Механизмы технологической оснастки." -М.: "Машиностроение", 1964.50. "Станочные приспособления." В 2х томах / под ред. Б.Н. Вардашкина и A.A. Шатилова М.: "Машиностроение", 1984 .

32. А. Жаров "Железо IBM" М.: "Микроарт", 1994.

33. М.Я. Выгодский "Справочник по высшей математике." -М.: "Наука", 1972.

34. ОНТП 24-84 М.: МВД СССР, 1986.59. "Естественное и искусственное освещение." СНиП II-4-79- М.: "Стройиздат", 1979.60. "Правила устройства электроустановок." М.: "Энергоатомиздат", 1985.

35. Е. В. Шикин, А. В. Воресков, А. А. Зайцев "Начала компьютерной графики" М.: "Диалог-МИФИ", 1993.

36. Б. С. Балакшин "Основы технологии машиностроения." -М.: "Машиностроение", 1969.

37. John С. Larkin, John Larkin "Practical Problems in Mathematics for Drafting and CAD", "Delmar Pub", 1996.

38. Britt Rorabaugh "Mechanical Devices for the Electronics Experimenter", "Tab Books", 1995.

39. John G. Bollinger, Neil A. Duffie "Computer Control of Machines and Processes", "Addison-Wesley Pub Co", 1988.70. "Concurrent Engineering : Automation, Tools, and Techniques", под ред. Andrew Kusiak, "John Wiley & Sons", 1992.

40. J. F. Whidborne, G. P. Liu "Critical Control Systems : Theory, Design and Applications (Engineering Systems Modelling and Control, No 2)", "John Wiley & Sons", 1993.

41. Alan M. Christie, A. M. Christie "Software Process Automation : The Technology and Its Adoption", "Springer Verlag", 1995.

42. Andrzej Cichocki, Abdelsalam A. Helal, Marek Rusinkiewicz, d Woelk "Workflow and Process Automation : Concepts and Technology (Kluwer International Series in Engineering and Computer Science, Sees 432)", "Kluwer Academic Pub", 1997.

43. В. П. Вороненко, С. В. Забиякин "Повышение эффективности механосборочного производства за счет минимизации грузопотока." Тезисы докладов конференции "Качество и эффективность процессов производства." Краматорск, 1993.

44. В. П. Вороненко, С. В. Забиякин "Оптимизация грузопотока в механообрабатывающих производствах." М.: "Машиностроение", "Автоматизация и современные технологии", №8, 1994.

45. С. В. Забиякин "Глобальная информатизация и ее социальные последствия." М.: "Image Publishing", "Компьютер и жизнь", №5, 1997.

46. С. В. Забиякин "Повышение эффективности проектирования технологической оснастки механосборочного производства." М.: "Машиностроение", "Автоматизация и современные технологии", №12, 1997.

47. С. В. Забиякин "Автоматизированное проектирование технологической оснастки механосборочного производства." -М: "Машиностроитель", "Информатика машиностроения", №3, 1997 .