автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Сокращение материальных и временных затрат опытного и единичного производства путем автоматизированной подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ

— л \ О

гъ

На правах рукописи

КОВШОВ Евгений Евгеньевич

СОКРАЩЕНИЕ МА ТЕРМАЛЬНЫХ И ВРЕМЕННЫХ ЗА ТРА Т ОПЫТНОГО И ЕДИНИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВ ПУТЁМ АВ ТОМА ТИЗИРОВАННОЙ ПОДГО ТОВКИ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ С ЧПУ

Специальность: 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов

и производств (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва-1998

Работа выполнена в Московском Государственном технологическом университете «СТАНКИН».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Пуш A.B.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Фролов Е.Б.

доктор технических наук, профессор Мухин A.B.

доктор технических наук, профессор... Аверченков В.И.

Ведущая организация: НИАТ

Защита состоится «_»_ 1998 г. в_часов на заседании

диссертационного Совета Д 063.42.02 в Московском Государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 101472, ГСП, Москва, Вадковский переулок, д. 3-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного технологического университета «СТАНКИН».

Автореферат разослан «_»_ 1998 г.

Учёный секретарь /;

диссертационного Совета ^

к.т.н. - ^ / Е.Г.Семячкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проектирование управляющих программ (УП) для оборудования с ЧПУ является сложным и трудоёмким процессом, который во многом определяет эффективность использования парка технологического оборудования и качество обрабатываемых деталей.

В последние годы значительно возросла роль опытного и единичного производств, удельный вес которых составляет значительную часть от общего объёма машиностроительного производства. Это объясняется тем, что экономика страны в настоящий момент переживает важный этап в своём развитии, сопряжённый с переходом к рыночным отношениям. В свою очередь это означает, что необходимо сокращать как время, потребное для фазы отработки изделия с одной стороны, так и значительно снижать уровень материальных затрат, связанных с производством - с другой.

В этой связи большое значение имеет совершенствование систем и методов автоматизированной подготовки УП. Особое внимание проблеме автоматизированной подготовки управляющих программ уделяется в составе интегрированных систем проектирования и производства - CAD/CAM-систем. Управляющая программа при этом является результатом сквозного цикла обработки информации: от чертежа детали до программы её изготовления на оборудовании с ЧПУ.

Поэтому, на современном этапе возникла важная научная и практическая проблема, связанная с созданием предметно-ориентированных систем CAD/CAM механообработки, позволяющих оперативно решать комплекс вопросов, направленных на сокращение всего цикла разработки конструкции изделия, в особенности, процесса его изготовления. При этом в качестве основы принимаются унифицированные средства автоматизации, выполняющие роль высокоуровневого геометрического процессора подсистемы CAD и создаются облегченные средства подсистемы САМ, способные решать задачи генерации операционной технологии и УП приоритетно для оборудования с ЧПУ.

Большинство исследований, представленных в работе, являются результатом практического решения целого спектра и, в первую очередь, отнюдь нетривиальных инженерно-технологических задач, возникавших при создании и производстве опытных образцов изделий приборостроительной тематики, выполнения договора о научно-техническом сотрудничестве «Разработка и внедрение проблемно-ориентированных систем автоматизированного проектирования и изготовления управляющих программ для оборудования с числовым программным управлением» между МГТУ «СТАНКИН» и Всероссийским НИИ автоматики, а также - по различным хоздоговорным работам.

Цель работы. Разработка методов и средств автоматизированной подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ с целью обеспечения требуемого качества технологических процессов, сокращения материальных и временных затрат опытного и единичного производств.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие научные задачи:

1) проведение анализа способов реализации систем CAD/CAM в процессе проектирования управляющих программ в среде автоматизированного производства;

2) разработка концепции перенастраиваемой проблемно ориентированной среды при создании и реализации CAD/CAM-систем;

3) построение математической модели предметно - ориентированных сред для организации проектирования систем CAD/CAM;

4) разработка методологических основ представления предметно-ориентированных систем с точки зрения технологических процессов;

5) разработка объектных средств интерфейса пользователя при проектировании предметно - ориентированных систем CAD/CAM;

6) разработка методики построения средств контроля УП с помощью статико - графического моделирования;

7) реализация методологии создания предметно - ориентированных систем CAD/CAM.

На защиту выносятся:

1) результаты комплексного анализа проблем реализации систем CAD/CAM УП как объекта проектирования;

2) результаты теоретических и экспериментальных исследований систем CAD/CAM в части подготовки УП для оборудования с ЧПУ;

3) методы, модели, алгоритмы, программно-математическое обеспечение построения и реализации предметно-ориентированных систем CAD/CAM;

4) результаты практического применения предметно-ориентированных CAD/CAM-систем, которые направлены на сокращение материальных и временных затрат на технологическую подготовку опытного и единичного производств, повышения качества УП и конечного изделия в целом.

Методы исследований. При решении задач, поставленных в работе, были использованы основные положения технологии машиностроения, методы: теории графов, системного анализа, объектно-ориентированного проектирования, экспертных оценок; для разработки моделей и алгоритмов проектирования - аппарат матричной алгебры, теории множеств, теории баз данных, а при программной реализации - аналитической геометрии и тригонометрии.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях.

1) разработана концепция перенастраиваемой проблемно ориентированной среды при создании и реализации CAD/CAM-систем;

2) разработаны методологические основы представления предметно-ориентированных систем с точки зрения технологических процессов;

3) построена математическая модель предметно-ориентированных сред для организации проектирования систем CAD/CAM;

4) разработан принцип повышения производительности CAD/CAM-систем за счёт применения RISC-технологии при создании УП для обработки деталей на станках с ЧПУ;

5) определён комплекс проблем качества управляющих программ и разработана методика построения средств контроля УП с помощью статико-графического моделирования.

Практическая ценность. Исследования автора выполнялись в рамках инженерно-технологических задач опытного и единичного производств, договора о научно-техническом сотрудничестве и по хоздоговорной тематике. Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании и реализации методов и средств построения предметно - ориентированных систем CAD/CAM УП в виде спектра алгоритмического, информационного и программного обеспечения, включая развитые средства графико-синтаксического контроля управляющих программ для оборудования с ЧПУ по большому числу параметров, с целью сокращения материальных и временных затрат на технологическую подготовку опытного и единичного производств.

Реализация работы. Научные и практические результаты работы внедрены:

1)в отделе Главного технолога и опытном производстве Всероссийского НИИ автоматики (г. Москва) - на этапе технологической подготовки опытного производства при изготовлении опытных образцов приборов различного назначения, а также - в группе подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ - при подготовке УП и их контроле по различным параметрам ;

2) в производственном объединении «МОСКВИЧ» (г. Москва) в инструментальном производстве, связанном с изготовлением штампов горячей объёмной штамповки и пресс-форм литья под давлением на этапе изготовления УП для станков с ЧПУ, верификации управляющих программ, оформления гравюр и маркировки изделий;

3) в учебной лаборатории кафедры «Компьютерные системы управления» Государственного технологического университета «СТАНКИН» (г. Москва) при организации учебного процесса студентов и инженеров-стажёров.

Кроме того, научные и практические результаты, приведённые в диссертации и нашедшие отражение в публикациях, использованы при подготовке лекционного материала, курсовых и магистерских работ на кафедре «Теория технологических машин» МГТУ «СТАНКИН», а также - в работе с аспирантами кафедры.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах в лаборатории Автоматизированных систем технологической подготовки производства и гибких производственных систем (ACTUli и ГПС) Всероссийского научно-исследовательского института автоматики, на расширенных заседаниях кафедр «Компьютерные системы управления» и

«Теория технологических машин» МГТУ «СТАНКИН», а также на следующих конференциях:

1) семинар - совещание «Интерактивное проектирование технических устройств и автоматизированных систем на персональных ЭВМ». Политехнический институт, Воронеж, 1991 г.;

2) V международная конференция по динамике технологических систем. Государственный университет, Ростов-на-Дону, 1997 г.;

3) Международный форум информатизации МФИ-97. Международная конференция «Информационные средства и технологии». Энергетический институт (Технический университет), Москва, 1997 г.;

4) международная научно-техническая конференция «Точность технологических и транспортных систем (TT и ТС - 98)». Государственный университет, Пенза, 1998 г.

5) международная конференция «Информационные средства и технологии». Энергетический институт (Технический университет) и Государственный технологический университет «СТАНКИН», Москва, 1998 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 62 научные работы, включая тезисы докладов, подготовленные для региональных и международных научно - технических конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, изложенных на 278 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка и 10 таблиц, список использованной литературы из 227 наименований и 3 приложения. Общий объём работы - 369 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение включает в себя аннотацию содержания работы с указанием цели работы, основных задач и положений, которые выносятся на защиту. Отмечается, что с развитием и внедрением автономных автоматизированных систем проектирования изделий, технологической подготовки производства, управления организационно-экономическими и технологическими процессами были созданы предпосылки к возможности создания систем Огромную роль в этом сыграли В.И.Аверченков, Б.М.Базров, Б.С.Балакшин, Г.К.Горанский, А.М.Дальский, Н.М.Капустин, В.М.Кован, В.С.Корсаков, М.Г.Косов, В.Г.Митрофанов, С.П.Митрофанов, А.В.Мухин, В.В.Павлов, А.П.Соколовский, Ю.М.Соломенцев, В.Л.Сосонкин, Н.М.Султан-Заде, Е.Б.Фролов, В.Д.Цветков, Б.И.Черпаков, М.А.Эстерзон и многие другие отечественные и зарубежные учёные.

Кроме того, даётся определение термину CAD/CAM и констатируется, что подготовка управляющей программы является важным и трудоёмким процессом в процедуре функционирования систем CAD/CAM, особенно в условиях опытного и единичного производств, при этом качество УП в значительной мере влияет на качество выпускаемой продукции. В связи с этим,

при проектировании УП для оборудования с ЧПУ актуальными являются проблемы подготовки и контроля качества УП в коде ISO-7 бит.

В первой главе рассматривается состояние вопроса и комплекс задач исследований по разработке и реализации принципов построения предметно-ориентированных систем CAD/CAM механообработки, формируются основы концепции перенастраиваемой проблемно-ориентированной среды при создании и реализации CAD/CAM-систем с параметрической оптимизацией связей предметных областей с механизмом представления систем автоматизированного проектирования и изготовления продукции.

Современный уровень машиностроительного производства предъявляет высокие требования к проектированию и производству изделий, что практически невозможно без развития и использования систем CAD/CAM.

Концепция систем CAD/CAM при решении задач проектирования и эксплуатации управляющих программ для оборудования с ЧПУ предполагает модульный принцип построения программно-аппаратных средств. Модульный принцип содержит гибкую

последовательную методику построения конкретной системы под конкретную задачу.

Общая структура системы CAD/CAM при подготовке и эксплуатации УП для станков с ЧПУ представлена на рис. 1. Учитывая широкий спектр развития производства, система CAD/CAM включает три уровня программирования УП: •автоматическое; •полуавтоматическое; •ручное.

На каждом уровне используются различные средства реализации. Модульный подход в построении систем CAD/CAM при создании управляющих программ для оборудования с ЧПУ позволяет гибко использовать различные уровни программирования УП в зависимости от характера производства, степени автоматизации и квалификации технологов-программистов.

Следует отметить тот факт, что опытное и единичное производства занимают достаточно внушительное по размеру и в известной степени специфическое место во всём объеме машиностроительного производства. Они характеризуются широчайшей номенклатурой выпускаемых изделий, их уникальностью и, в целом, большими материальными затратами как на разработку конструкторской документации, так и собственно на технологическую подготовку производства. В сложившихся условиях УП, как продукт функционирования CAD/CAM-системы, является подчас краеугольным камнем, обеспечивающим выпуск продукции, в полной мере отвечающей всем техническим требованиям.

Универсальные системы CAD/CAM подготовки УП для оборудования с ЧПУ в большинстве случаев строят в структуре «процессор - постпроцессор», что в конечном счете обеспечивает получение УП на обработку заготовки.

Структурная схема системы CAD/CAM для проектирования и изготовления управляющей программы для станков с ЧПУ

Основными составляющими частями подсистем CAD и САМ шляются соответственно геометрический и технологический процессоры, отражающие служебное назначение системы в целом. Однако их разработка характеризуется значительно большей трудоемкостью по сравнению с грудоемкостью разработки других составляющих системы.

Среди основных факторов разработки и применения предметно-эриентированных систем CAD/CAM подготовки УП для оборудования с ЧПУ можно выделить следующие:

•экономическая нецелесообразность использования универсальных CAD/CAM-систем;

•финансовая ограниченность производства; •отсутствие площадей под новое технологическое оборудование; •отсутствие возможности или ограничения в описании геометрии и технологии изготовления детали посредством языковых и графических средств имеющихся универсальных CAD/CAM-систем;

•наличие технологического оборудования, не охватываемого универсальными средствами подготовки УП;

•отсутствие специального технологического оборудования или режущего инструмента, необходимых для изготовления детали;

•отсутствие современных высокопроизводительных ПЭВМ; •отсутствие квалифицированного инженерно-технического персонала. Следует непременно отметить, что предметно-ориентированная CAD/CAM-система представляет собой интегрированную систему, способную решать узкий круг задач, связанных с технологической подготовкой, в первую очередь, опытного и единичного производств и, в частности, - разработкой onepaißioHHoit технологии и подготовкой УП для оборудования с ЧПУ.

Среди основных черт предметно-ориентированных систем CAD/CAM можно выделить следующие:

•низкая себестоимость программного обеспечения; •быстрая окупаемость;

•низкие накладные расходы при эксплуатации программного обеспечения;

•простота и кратчайшие сроки освоения;

•лёгкая ' настройка на решение технологической задачи или группы типовых задач в условиях широкой номенклатуры и типоразмеров изделий;

•расширение области применения и спектра универсального металлорежущего оборудования с ЧПУ;

•отсутствие функциональной избыточности;

•применение универсального геометрического процессора как на этапе разработки КД, так и на этапе технологической подготовки производства;

•выбор оптимального объёма информации для конкретного технологического процесса;

•применение RISC-технологии в технологическом процессировании и постпроцессировании;

•максимально возможная оптимизация УП для по широкому спектру параметров;

•наличие развитых средств контроля УП по различным параметрам; •минимальные требования к программному и аппаратному обеспечению;

•минимум интерактивного взаимодействия конечного пользователя с программным обеспечением;

•возможность взаимодействия с современными международными промышленными стандартами;

•область предпочтительного применения - разработка операционной технологии и УП в условиях единичного и опытного производства.

Поскольку в опытном и единичном машиностроительном производстве наиболее технологичными являются детали типа 2х и 2,5х (вместе они составляют до 90% в зависимости от профиля производства), то возможными предпочтительными областями применения предметно-ориентированных систем CAD/CAM подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ могут являться или являются:

•обработка фрагментов формообразующих элементов матриц и пуансонов штампов для горячей объёмной штамповки и пресс-форм литья под давлением;

•гравирование на поверхности различных конструкционных материалов как лезвийным инструментом, так и лучом лазера;

•раскрой листового материала с помощью газоплазменной или лазерной резки;

•вырубка-пробивка отверстий на координатно-дыропробивном прессе; •изготовление прямозубых цилиндрических колес; •резьбофрезерование отверстий больших диаметров; •гибка труб;

•сварка в различных средах; •получение фотошаблонов на координатографе; •сверление отверстий в монтажных платформах и печатных платах. Таким образом, разработка принципов построения предметно-ориентированных систем CAD/CAM механообработки и их последующая реализация является центральным звеном в решении проблемы создания корректной, оптимизированной, экономически целесообразной управляющей программы для оборудования с ЧПУ и ее дальнейшего процессирования, что особенно важно для условий опытного и единичного производств при без того высокой себестоимости выпускаемой продукции.

Основной постулат методологии генерации предметно-ориентированных систем CAD/CAM заключается в принципе трансляции описаний функциональных спецификаций предметной области в параметры архитектуры и адекватных спецификаций системы CAD/CAM. Структуризация

задач по уровням и определение их взаимных связей - внешняя, процедурная часть функционирования методологии.

Основными уровнями представления являются: •концептуальный, составляющий основу методологии; •функциональный, включающий в себя описание функций системы по содержанию и структуризацию по форме представления подуровней; •моделирования функций и отношений; •алгоритмизации отношений;

•генерации архитектуры и параметров системы как этап реализации методологии.

Каждый уровень открыт для введения новых параметров и спецификаций, инвариантными остаются лишь структурные связи между уровнями. Средства реализации задач каждого уровня определяются входами-выходами исходной задачи. Концептуально процесс генерации предметно-ориентированной системы CAD/CAM может быть представлен в виде модели, изображённой на рис. 2.

Концептуальная модель создания предметно-ориентированных систем CAD/CAM

На функционально-структурном уровне представления процедура генерации предметно-ориентированных систем CAD/CAM содержит признаки в виде модели, показанной на рис. 3.

Функциональный уровень представления генерации предметно-ориентированных систем CAD/CAM

Рис. 3.

Реализация методологии предполагает наличие на входе базы данных или системы баз данных, отображающей отличительные признаки предметной области. Основные процедурные варианты решаются при помощи экспертных систем (ЭС). Экспертная система, осуществляющая процедуру выбора спецификаций предметной области, реализуется на верхних уровнях процесса

генерации, а ЭС по выбору конфигурации CAD/CAM-системы проектирования управляющих программ для оборудования с ЧПУ на его нижних уровнях. Выбор спецификаций предметной области, проводимый ЭС верхнего уровня, основан на логических алгоритмах отбора отличительных признаков и особенностей предметной области, существенно влияющих на конечные результаты функционирования. Формальный аппарат анализа выбранных спецификаций включает в себя операции с суперматрицами, в которых элементами матриц являются локальные матрицы. Функциональные связи между суперматрицами осуществляются посредством структурированных построений типа «кортеж матриц отношений». В упрощенном варианте при наличии многих типовых спецификаций они вырождаются в табличные, реляционные' отношения. Оптимизационные алгоритмы спецификаций конкретизируются на примере структурной и параметрической оптимизации одного или ряда технологических процессов, лежащих в основе функционирования предметной области. Критерии оптимизации могут быть выбраны традиционными, например, обеспечение заданного качества производства изделий с минимальными затратами.

Выбор элементов, входящих в конфигурацию системы CAD/CAM, производимой на выходных этапах процедуры, осуществляется на основании алгоритмов, заложенных в ЭС нижнего уровня. Данная ЭС решает задачу нахождения логического соответствия оптимизированных спецификаций технологических процессов предметной области параметрам генерируемой системы CAD/CAM на основе аппарата реализации транзакций типа «операция-задание».

Процедура генерации параметров системы CAD/CAM отображает последовательный кортеж транзакций. Объём файла транзакций указывает на пространство отличительных спецификаций предметной области, идентифицированных на верхних уровнях областей процедуры.

Рассмотренная в диссертационной работе концепция предполагает построение общей регулярной процедурной и формальной основы как среды для генерации системы CAD/CAM с отличительными признаками предметных областей без ограничений на функциональные параметры спецификаций предметных областей.

Во второй главе осуществляется моделирование предметно-ориентированных сред для организации проектирования систем CAD/CAM, строится математическая модель предметно-ориентированных сред, и выполняется их имитационное моделирование.

Возможно рассмотреть принцип, по которому множество характеристик конкретной реализации X', задаваемых техническими требованиями заказчика к проектируемой системе, ставится в соответствие с множеством исходных характеристик проблемно-ориентированной системы X (типовое решение), и определить существование предметно-ориентированной системы XQ как подмножества проблемно-ориентированной системы X.

Пусть заданы множество X, содержащее п характеристик с дискретными и непрерывными параметрами исходной проблемно-

ориентированной системы, и множество X*, содержащее п характеристик, описывающих технические требования к конкретному решению:

Х=1)Х, и х' = их;. (1)

Ы1 ¡=1

Для простоты, без потери общности решения, возможно положить п = п , т. е. привести в соответствие перечень характеристик конкретного решения с характеристиками типового решения.

Предметно-ориентированное решение Х° = Хг\Х* будет существовать и будет экономически оправданным, если выполняются два условия: необходимости и достаточности.

Предположим, что определенное число т характеристик (т < л) этих множеств, которые назовем паспортными, определяют рамки номенклатурного ряда изделий и качество модулей технического оборудования (как, например, масса, габариты, материал, точность обработки, надежность отдельных технологических модулей и средств вычислительной техники и т. п.) и обозначим их:

С = с X,] -1 ,...,т- для типового решения;

2 = {ЛГ*| с X',} = 1 для конкретной реализации.

Остальные п-т характеристики, которые назовем технико-экономическими, будут определять предварительные технико-экономические показатели (ТЭП) решений (как, например, производительность, уровень автоматизации, общая надежность, стоимость системы, срок окупаемости и т. п.) и соответственно обозначим для типового и конкретного решений:

V = {Ка)} = {Х^}} с Х,Л = \,...,п-т,к = 1 ,...,К,К - натуральное число;

W={X\}C1X• ,Л = \,...,п-т\ (2)

т. е. имеем Х-СиУ и X' = XV)¡-V, а природу этих подмножеств определим как:

С- подмножество характеристик с неизменяемыми параметрами, заданными по составу средств типового решения;

V - подмножество характеристик с варьируемыми параметрами типового решения, где каждое подмножество с V означает вариант значений ТЭП, получаемый в процессе проектирования на базе типового решения, т. е. при адаптации характеристик типового решения под конкретный заказ;

X и Ж - соответственно подмножество характеристик с условно неизменяемыми и условно варьируемыми параметрами конкретного решения, заданными по техническим требованиям заказчика, но допускающими модификации в процессе разработки и согласования технического задания с заказчиком. Именно эта стадия должна происходить по схеме параллельного выполнения заказа с учётом индивидуальных потребностей заказчика, при которой одновременно осуществляются этапы проектирования и утверждения-согласования удовлетворительного проектного варианта за счет вовлечения заказчика в процесс системного проектирования и принятия решения;

Х'р - функция от паспортных характеристик, генерирующая варианты количественно-качественного состава технологического оборудования с соответствующим набором ТЭП и с ограничениями, заданными техническими требованиями 2\\ Ж.

Уместно отметить, что по сути число К определяет адаптационные возможности функционально-полных, экономически целесообразных вариантов решения.

Возможность создания предметно-ориентированного решения X® определяется наличием или отсутствием пересечения множества X типового решения с множеством X* требуемой конкретной реализации, иначе говоря, можно использовать технологию системного проектирования на базе типового решения, если при одинаковых внешних воздействиях и -и" на определенном интервале времени выполняется условие:

Элементы подмножества V определяют адаптационные

возможности типового решения. Если варьировать подмножество V различными значениями ТЭП, соответствующих функционально-полным вариантам компоновки и комплектации, так, чтобы множество характеристик типового решения X покрывало согласованные с клиентом технические требования конкретного решения X*, то область экономически достаточного предметно-ориентированного решения Xс может быть определена.

Применение технологии системного проектирования на базе типового решения позволяет уменьшить сроки проектирования и избежать на этом этапе ошибок за счет использования отработанного проблемно-ориентированного решения. При совмещении подхода стандартизации (ускорение проектирования за счет использования типового решения) с подходом параллельного выполнения заказа с учётом индивидуальных потребностей заказчика возникает некоторая избыточности решения, которая, в то же время, увеличивает адаптируемость к выпуску нового вида продукции уже в процессе эксплуатации системы.

Выполнение программных реализаций по данному подходу позволяет повысить качество проектирования интегрированных САО/САМ-систем, при

(3)

ощутимом сокращении сроков, а так же - увеличить выпуск машиностроительной продукции.

Процесс имитационного моделирования предполагает развитие модели во времени в соответствии с определёнными правилами. Функционирование реальной системы распадается на ряд процессов функционирования отдельных объектов. Эти процессы протекают одновременно, или параллельно. Задача программной имитации состоит в отображении отдельно протекающих процессов на один вычислительный процесс. Это отображение может быть выполнено различными способами в зависимости от задач и показателей эффективности.

Множество моментов времени и изменения состояния конечно и может быть описано выражением

(4)

где t, - г -й момент времени изменения состояния системы; tn - общее время наблюдения за системой.

Под функционированием системы понимается процесс изменения ее состояния во времени, который называется процессом функционирования

Z = (T,S,F,a) (5)

где S-пространство состояний; F- траектория процесса (F:Т-> S); соотношение линейного порядка на множестве Т.

В зависимости от типа процесса множество моментов времени Т может быть как непрерывным, так и дискретным. Если Г задано в виде упорядоченных чисел, то величину а из данного выражения можно исключить.

Пространство состояний S определяется параметрами Р системы. Пусть W— множество параметров Р системы. При этом под параметром системы подразумевается некоторая скалярную переменная, обладающая именем и множеством значений:

P = (Wp,a{Wpj), (6)

где Wp - имя параметра; <y(Wp) - множество значений параметра. Следует отметить, что элементы множества a(Wp) скалярны.

При моделировании процесса функционирования систем CAD/CAM подготовки УП в качестве параметров системы, а также их значений в общем виде можно выбрать следующие:

1) чертёж детали:={геометрическое описание,технические требования };

2) трансформированный чертёж детали:= {линейные значения, угловые значения, радиусные значения };

3)технологический процессора {координаты опорных точек, радиусы дуг, текущие координаты };

4) CLDATA-файл^ {значения переменных, значения массивов, последовательность технологических переходов};

5)постпроцессор:={динамические характеристики оборудования, статические характеристики оборудования, язык системы ЧПУ};

6)УП для оборудования с ЧПУ:={тело программы, подпрограммы, макропроцедуры, нумерация инструментов };

7) верификация УП:={адреса, значения адресов, геометрические параметры, технологические параметры };

8) оборудование с ЧПУ:={заготовка, УСП, режущий инструмент, мерительный инструмент }

При этих условиях пространство состояний

S = Псг(<у) для всех со е W, (7)

где П - символ декартова произведения множеств, а размерность пространства S равна числу параметров системы.

В третьей главе излагаются методологические основы представления предметно-ориентированных систем CAD/CAM с точки зрения технологических процессов, рассматриваются вопросы оптимизации технологических процессов механообработки изделий на оборудовании с ЧПУ, излагается методика разработки принципа повышения производительности предметно-ориентированных CAD/CAM-систем за счёт применения RISC-технологии при создании УП для обработки деталей на станках с ЧПУ, а так же рассматриваются вопросы оптимизации систем CAD/CAM за счёт применения предметно-ориентированных баз данных, поднимаются проблемы масштабирования баз данных в системах CAD/CAM и обозначаются пути их решения.

Возможно выделить три уровня оптимизации управляющей программы для оборудования с ЧПУ (рис.4): геометрическая, технологическая и программная, которые используются при построении и реализации предметно-ориентированных CAD/CAM-систем.

Геометрическая оптимизация включает в себя возможность оптимизации по контурам обработки, что означает автоматическое формирование множества контуров из имеющегося набора геометрических элементов с учётом непрерывной обработки, а также оптимизацию по группам отверстий, которая позволяет минимизировать число ускоренных перемещений, например, при их сверлении. Геометрическая оптимизация осуществляется как в среде собственно геометрического процессора, так и на этапе технологического процессирования.

Технологическая оптимизация возможна по параметрам точности обработки, при этом значения адресов X, Y, Z, I, J, К, R обеспечивают выполнение технических требований, содержащихся в рабочем чертеже детали; по числу смен режущего инструмента, что означает возможность обработки одним инструментом максимального числа поверхностей; по режимам обработки, обеспечивающим оптимальные режимы резания и

требуемое качество получаемого поверхностного слоя; по машинным циклам обработки, подразумевающим возможное применение стандартных циклов, например, сверления, растачивания, разьбонарезания и т.д. Технологическая оптимизация производится на этапе технологического процессирования и в среде постпроцессора.

Уровни оптимизации управляющей программы

мации в пределах одного кадра

Рис. 4.

Программная оптимизация влияет на длину управляющей программы, выводимой либо в КО-файл, либо непосредственно на перфоленту. При данной оптимизации широко используется возможность применения подпрограмм, механизмов формальных параметров и макропроцедур, что упрощает УП. Там, где это допускается архитектурой и входным языком системы ЧГГУ, широко эксплуатируется принцип «умолчания» геометрических и технологических параметров управляющей программы таких как: координаты точки, вид интерполяции, величина подачи, смещение инструмента и других. Возможно также удаление начальных и конечных нулей, а также десятичной точки, отделяющей мантиссу от целой части в

вещественных адресах, сокращение терминальных символов кадра за счёт удаления незначащих. Благотворно на длине управляющей программы сказывается максимальное использование непротиворечивой информации в пределах одного кадра. Программная оптимизация имеет место на этапе постпроцессирования и во многом зависит от качества разработки алгоритма работы и реализации постпроцессора, а также от степени развития входного языка системы ЧПУ.

В диссертационной работе рассматривается один из методов повышения производительности процесса разработки УП в системе CAD/CAM за счет применения известной в архитектуре современных микропроцессоров обработки данных - архитектуры RISC. При этом предлагается использовать концепцию RISC -архитектуры по организации эффективного процесса обработки данных для систем автоматизированной подготовки и применения управляющих программ для оборудования с ЧПУ - систем CAD/CAM УП. Концепцию RISC-архитектуры в контексте применения к системам CAD/CAM УП будем называть RISC-технологией.

В RISC - технологии используются такие два основных метода увеличения производительности процесса обработки данных, применяемых в RISC-архитектуре как:

1) метод использования простых операций и процедур;

2) метод потокового выполнения операций, когда процессы выполнения операций и обработки данных организованы как параллельные процессы.

Основные положения концепции RISC - технологии в виде структурной схемы функционирования подсистемы САМ при разработке УП для станков с ЧПУ заключаются в следующем.

Процесс управления параллельными потоками операций осуществляется с помощью встроенной программы-диспетчера, которая, используя информацию DXF-файла, и, дополнительно вводимую технологом-программистом, координирует распределение ресурсов системы для реализации программных потоков.

Синхронизация параллельных потоков операций, при наличии ограниченных аппаратных ресурсов таких как однопроцессорные компьютерные системы-серверы приложений, осуществляется классическими методами разделения ресурсов.

Предполагается, что общая система CAD/CAM УП работает в среде «клиент-сервер», где на начальной стадии формируется база данных параметрически описанных деталей с помощью геометрического процессора AutoCAD, а на последующей стадии вступает в работу технологический процессор, функционирующий по RISC - технологии на базе сервера приложений. Результатом работы технологического процессора является файл CLDATA Light («облегчённый»), отличающийся от стандартного тем, что обладает более простой архитектурой в своей организации и содержит редуцированный набор технологических команд, необходимый и достаточный для разнообразных вычислений на этапе постпроцессирования, обеспечивая при этом максимально возможную оптимизацию УП.

Постпроцессорная компонента организована в виде динамически присоединяемой библиотеки - DLL (Dynamic Link Library) - объектной библиотеки со средствами включения новых классов и применением таких основополагающих принципов объектно-ориентированного программирования как: наследование, инкапсуляция и полиморфизм. Постпроцессор также использует принцип параллелизма и управления потоками операций, что в конечном итоге обеспечивает получение заданной оптимизированной УП для отработки на конкретном оборудовании с ЧПУ.

Таким образом, предложенная концепция RISC - технологии для функционирования систем CAD/CAM УП имеет целью поиск новых путей решения актуальной проблемы по повышению эффективности систем проектирования и изготовления программ обработки деталей на оборудовании с ЧПУ на базе применения новых информационных технологий.

В предметно-ориентированных системах CAD/CAM проектирования управляющих программ для оборудования с ЧПУ одним из основных компонентов является подсистема CAD, которую возможно построить на базе интерактивной графической системы AutoCAD, имеющей в своём составе мощный геометрический процессор и позволяющей проектировщику (технологу-программисту) вести диалог с ней на естественном, наглядном, удобном и понятном для конечного пользователя языке машинной графики.

Система AutoCAD, представляющая собой высокоразвитую систему проектирования разнообразных объектов различного назначения и сложности, включает в себя следующие основные компоненты:

•инструментальные средства для построения блочно-иерархической послойной модели графического объекта;

•развитый базовый набор функций, относящихся к интерактивному формированию и модификации такой модели;

•средства организации интерфейса пользователя на основе иерархических и «выпадающих» меню и (или) алфавитно-цифровых директив;

•средства настройки и расширения системы AutoCAD путём создания собственных меню, включения новых команд и процедур обработки данных с помощью LISP-программ (последние в процессе работы с системой вызываются и обрабатываются интерпретатором AutoLISP);

•средства извлечения информации из графического изображения и сохранения её в файлах соответствующего формата.

Для непосредственной эффективной работы проектировщика какой-либо УП технологического процесса обработки создаются (посредством указанных выше инструментальных средств) проблемно-ориентированное меню, включающее в себя перечень проектных процедур, реализованных на языке AutoLISP, а также набор библиотек различного содержания и назначения. Это позволяет упростить интерфейс пользователя и повысить скорость работы проектировщика с системой CAD/CAM УП.

Для создания базы данных графических элементов и для управления этими базами целесообразнее использовать аппарат, позволяющий оперировать

с блоками графических примитивов, а также инструментальные средства языка AutoLISP.

В системе AutoCAD каждый из указанных блоков представляет собой набор геометрических примитивов, сгруппированных в объект (графический примитив), которому присваивается соответствующее имя, используемое в сеансе работы с системой. После окончательного формирования блока (по определённым неформальным правилам в соответствии с операциями объединения, пересечения и вычитания при выборе линейных, радиусных, угловых размеров и координат базовой точки вставки в окончательное графическое изображение как множества параметров) он может быть сохранён на магнитном диске под именем DWG-файла.

Следует отметить, что определённый параметризованный элемент поверхности может не входить в состав какой-либо библиотеки, а синтезироваться как блок в процессе работы самой LISP-программой и использоваться при генерации конечного графического изображения.

Блок можно встраивать в графическое изображение с разными масштабными коэффициентами и с произвольным углом поворота относительно базовой точки вставки. При этом он трактуется как единый объект, который можно переместить, стереть и т.д. Внутренняя структура блока не имеет значения, поскольку он рассматривается как некий примитив и может быть обработан также как дуга, отрезок или полилиния.

В результате применения блоков графических примитивов обеспечивается простота модификации изображений, формируется конечное графическое изображение из отдельных фрагментов (параметризованных элементов поверхностей), появляется возможность создавать комплекс библиотек типовых графических элементов для конкретных приложений.

Следует отметить, что наличие в системе AutoCAD всех перечисленных возможностей ещё не свидетельствует о том, что она может работать как предметно-ориентированная система, поскольку любой элемент поверхности встраивается в общую модель объекта производства в соответствии с внешними связями. В системе AutoCAD такими связями являются координаты точки вставки блока, угол его поворота и масштабные коэффициенты по осям ОХ, OY и 02. Определяя эти связи, проектировщик руководствуется тем, что каждая внешняя связь является функцией нескольких переменных (конструктивных и технологических параметров).

При реализации предметно-ориентированных систем CAD/CAM УП одна из главных задач разработчика заключается в том, чтобы формализовать функции внешних связей элементов поверхностей и на этой базе создать регулярную процедуру генерации объекта производства.

Структурная схема алгоритма, описывающего возможные пути синтеза графического изображения на экране дисплея ПЭВМ, приведена на рис.5. Как видно, одним из этапов работы алгоритма является выбор и активация предметно-ориентированного программного модуля (рис. 6).

Структурная схема алгоритма синтеза графического изображения в подсистеме CAD, построенного на основе геометрического процессора системы AUTOCAD

Использование функционального меню AUTOCAD

> г

Выбор и активация предметно-ориентированного программного модуля

Основной семантической нагрузкой этого модуля, реализованного посредством инструментальных средств языка АгДоЬКР, является генерация графического изображения из набора параметризованных элементов.

Библиотека параметризованных графических элементов, представляющая собой основную информационную базу, состоит из двух разделов: графических элементов и их атрибутов. Причём последний раздел реализован в форме структур данных, образованных списками и находящихся в теле самой программы, а первый раздел - как совокупность блоков, созданных

Структурная схема алгоритма функционирования предметно-ориентированного программного модуля системы CAD/CAM УП в рамках геометрического процессора системы AUTOCAD

Рис. 6.

в среде AutoCAD и помещённых в определённую директорию на жёстком магнитном диске.

В самом начале работы происходит фиксация графического элемента (т.е. процесс считывания (из буфера клавиатуры) ASCII-кода нажатой клавиши или комбинации кодов клавиш). Получаемый код или коды являются основной информацией для последующего поиска атрибутов графического элемента в списочных структурах.

После нахождения атрибутов графических элементов рассчитываются параметры, определяющие положение элемента в общем графическом изображении. К таким параметрам относятся координаты точки вставки графического элемента, масштабные коэффициенты и угол поворота элемента относительно точки вставки. Далее путём использования определённой функции языка AutoLISP параметризованный графический образ встраивается в общее изображение. По окончании формирования графического изображения выходная информация сохраняется на магнитном носителе в виде DWG-файла или интерфейсного DXF-файла.

Опыт практической работы показал, что предлагаемый подход позволяет сочетать достоинства предметно-ориентированных систем CAD/CAM УП с широкими возможностями системы AutoCAD, которая обеспечивает эффективный графический диалог, поддержку баз данных параметризованных графических элементов и продуктивную работу пользователя.

Проблема масштабирования данных, используемых в системах CAD/CAM, носит комплексный характер и обусловлена рядом факторов.

Во-первых, особенностью конкретных инструментальных сред для проектирования и создания SQL-серверов (спецификация (класс) сервера и платформа, на которую он ориентирован), во-вторых, несоответствием SQL -скрипта того или иного сервера стандарту ANSI SQL, в-третьих, особенностью конкретной программной платформы, не связанную на прямую с её SQL-диалектом (поддержка кодовой страницы страны пользователя, организация индексирования и реиндексирования таблиц, наличие драйвера доступа и управления данными и т.д.).

Для безопасного доступа и масштабирования данных из одной базы в другую, в работе предлагается использовать развитый и достаточно универсальный инструмент - Borland Database Engine, имеющий в своем активе драйверы для доступа к серверам баз данных (InterBase Server, Oracle, Microsoft SQL Server, Sybase SQL Server, Informix ), к локальным базам данных (Paradox, dBase и др.), а также средства подключения к СУБД через ODBC-драйвер. К основным минимальным функциональным возможностям упомянутых драйверов относятся: открытие/закрытие базы данных; поиск/ инициализация значений свойств объектов системы BDE; чтение/запись данных в объектах базы данных; создание и работа с объектами базы данных: таблицами и индексами; создание псевдонимов баз данных (локальных серверов), их изменение и удаление; выполнение различных операций с базами данных.

В четвёртой главе разрабатываются объектные средства интерфейса пользователя при проектировании предметно-ориентированных систем

CAD/CAM, обосновывается выбор интерфейса пользователя и строится функциональная модель диалога.

Эффективность использования программно-аппаратных средств при комплексе работ по подготовке УП для оборудования с ЧПУ зависит от развития средств интерфейса пользователя.

В работе формулируются требования к диалогу, диалоговым системам, к той их части, которая называется интерфейсом пользователя и обеспечивает ход диалога пользователя с ЭВМ. Ниже приводится перечень этих требований.

1. Целесообразность использования.

2. Психофизиологические аспекты.

3. Простота диалога и удобство использования диалоговой системы.

4. Ясность диалога.

5. Обеспечение помощи пользователю.

6. Возможность совершения пользователем ошибки.

7. Гибкость, адаптивность диалога.

8. Управляемость диалога.

9. Требования к времени ответа.

Ю.Требования к диалоговой системе с точки зрения использования технических средств.

В работе строится функциональная модель диалога, которая позволяет: •точно и недвусмысленно описать общую концепцию функционирования и организацию диалоговой системы;

•точно описать ее подсистемы, ясно определить интерфейс между ними, согласовать их с поставленной задачей и конфигурацией технических средств;

«полностью выявить и учесть возможности и детали поведения диалоговой системы, определить возможности пользователей. На этапе разработки функциональная модель является: «принципиальной основой для детального проектирования и реализации программных средств;

•средством выявления трудностей, побочных эффектов и специальных случаев, которые могут быть разрешены до начала реализации;

•методической основой для автоматизации создания диалоговых систем данного класса.

Зачастую функционирование диалоговой системы можно представить процессом, управляемым с помощью сообщений пользователя и описанным в виде графа, однозначно задающего переход от одной процедуры к другой (граф может быть отображен диаграммой состояний ). При этом граф задает лишь допустимые переходы (возможности пользователя). Такой схеме описания диалоговой системы соответствует конечный автомат, на основе которого строятся многие модели. Он представляет собой следующую пятерку:

M = (X,Y,Q, Ф,Ч>),

(8)

где X = (у Л - множество входных сообщений (команд),

i=l,2.....Vf

F = 12 iV ~ множество выходных сообщений (реплик),

Q={C[^ 12 v - множество состояний диалоговой системы.

(qo - начальное состояние), Ф:XxQ->Q - функции переходов, х Q-* Y - функция выходов (иногда > Y).

Кроме того, обычно предполагается, что для каждого состояния или команды существует программный или аппаратный модуль, непосредственно реализующий действие, заданное командой . Тем самым дополнительно вводится отображение Р.Х-^Р или l.Q—> Р, где Р = {Pk)r-_i2,.j,>p набор из N реализующих модулей.

Тогда, находясь в состоянии qt, под действием команды х, диалоговая система переходит в состояние qM = (xJ,ql), выполняет действия Рк =I(Xj) или Рк = l(q,), выдает пользователю реплику yt = yV(x и. останавливается,

о'А^чая следующей команды.

Гаки:.; образом, состояния соответствуют местам прерывания автономной работы системы, когда для ее продолжения требуются действия чо^.мозатедя. Тякой процесс соответствует директивному типу диалога, при ко юром кгохдое входное сообщение инициирует смену состояния системы. 1Ър?ход осуществляется согласно функции Ф , табднчго опргделякмцей ды^алму сэитояний.

Если задано соответствие:

M-.qt К „К, = Щ),к, s А', (9)

где^ - подмножество состояний, в которое допустим переход из q,; Кг

подмножество команд, допустимых для данного состояния, то это дает возможность описать диалог типа «меню».

Приведенная функциональная модель диалога предназначена для описания последовательной работы диалоговых систем, что имеет место при реализации проблемно-ориентированных средств диалога в случае предметно-ориентированных систем CAD/CAM подготовки УП и статико-графического моделирования управляющих программ для станков с ЧПУ.

В последние годы произошел ряд значительных изменений в интерфейсе между компьютерными системами и их пользователями. Они касаются, главным образом, взаимодействия с неопытными (конечными) или непостоянными пользователями и направлены на замену традиционного меню - структурированного диалога. Типичным среди этих разработок является многооконный WIMP-интерфейс.

Основной частью интерфейса WIMP является окно, представляющее собой обычно прямоугольную область физического окна, с помощью

которого пользователь обозревает отдельные аспекты своего взаимодействия с задачей. Отметим, что это определение имеет два аспекта, поскольку описывает окно исходя из:

•связи между его физическим представлением и физическим экраном; окно можно описать по его структуре и месту расположения на экране;

•его содержания как взгляда на элементы данных некоторой задачи и процесса их обработки.

Применение WIMP-интерфейса значительно облегчает ведение диалога конечного пользователя с ЭВМ, при этом интерфейсная часть приложения должна включать в себя:

•меню стандартного вида с соответствующими клавишами быстрого доступа;

•панель инструментов, содержащую кнопки с пиктограммами, дублирующие наиболее часто используемые пункты меню;

•вертикальные и горизонтальные полосы прокрутки, группы кнопок выбора, списки, выключатели, строки редактирования и другие интерфейсные элементы, традиционно присутствующие в современных приложениях;

«возможность использования правой клавиши мыши для вызова контекстно-зависимых меню;

»контекстно-зависимую справочную систему, подсказки для интерфейсных ояементоз, панель для отражения текущего состояния приложения и комментариев.

Современные средства быстрой разработки WiDdows-приложений. так называемые средства RAD (Rapid Application Development), обладают в той или иной степени почти псеми возможностями реализации в приложениях стандартных интерфейсных элементов. Семейство продуктов фирмы Borland такие как Delphi и С++ Builder в различных редакциях являются з этом отношении наиболее простыми и удобными в использовании средствами.

В пятой главе рассматриваются принципы и методика средств контроля управляющих программ для оборудования с ЧПУ при помощи статико-графического моделирования, формулируются принципы реализации корректности управляющих программ в процессе их проектирования и контроля, обосновываются и строятся модели интерпретации управляющей программы на уровне ISO-файла.

Одной из важных задач исследований является разработка методов повышения качества подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ в рамках систем CAD/CAM. При этом критерии качества при подготовке УП трудно формализуются. В связи с этим для оценки критерия качества УП и определения степени значимости ошибок при проектировании УП на различных уровнях представления информации в работе использован метод экспертных оценок. А для реализации экспертных оценок используется метод ранжирования.

Под ранжированием понимают процедуру установления относительной значимости (предпочтительности) исследуемых объектов на основе их упорядочения. Ранг - показатель, характеризующий порядковое место оцениваемого объекта или явления в группе других объектов (явлений), обладающих существенными для оценки свойствами. Обычно, наиболее предпочтительному объекту присваивается первый ранг, а

наименее предпочтительному - последний. Сумма рангов 8П, полученная в результате ранжирования, будет равна сумме чисел натурального ряда, т.е.,

5. = ¿л. (10)

ы

где X; - ранг 1-го объекта, или

& = (П)

в случае присвоения экспертом двум разным объектам одною и того же ранга.

Исходя из результатов экспертных оценок технологов-программистов, выявлены различные классы ошибок, построена диаграмм;; процентного содержания ошибок различных групп в УП при автоматическом способе проекгированая (рис. 7), а также графическая зависимое о» количества ошибок в управляющей программе от количества кадров при ручном, полуавтоматическом и автоматическом способах подготовки (ркс. 8). Диаграмма процентного содержания ошибок различных групп б УП ври автоматическом способе проектирования

Прочие

Графическая зависимость количества ошибок в управляющей программе от количества кадров при различных способах подготовки УП

Рис. 8

Рассмотренные классы и векторы ошибок при подготовке УП не могут быть полностью выявлены и устранены традиционными способами контроля УП. При этом качество управляющих программ определяется наличием развитых средств выявления и устранения многочисленных ошибок, возникающих на разных этапах проектирования и изготовления УП.

На рис. 9 представлены основные уровни подготовки УП и схема источников ошибок, возникающих в среде CAD/CAM при проектировании и изготовлении УП для станков с ЧПУ. Эти уровни представлены следующим образом:

•уровень ввода графических элементов чертежа; •уровень геометрического процессирования; •уровень технологического процессирования; •уровень промежуточных языков (внутреннего интерфейса); •уровень постпроцессирования; уровень УП в коде ISO-7 бит; •уровень носителя УП (диск, дискета, перфолента, сетевой файл). Из рис. 9 видно, что актуальную задачу повышения качества УП следует решать путём создания средств контроля выходного файла УП в коде ISO-7 бит с использованием метода статико-графического моделирования управляющей программы (созданием ее графической модели), поскольку именно выходной файл УП содержит ошибки всех предыдущих этапов программирования.

Основные уровни подготовки управляющих программ и источники ошибок, возникающие в системе CAD/CAM при проектировании УП для станков с ЧПУ

Под статшо-графическим моделированием понимают такое преобразование ШО-файла управляющей программы, при котором происходит графическое реконструирование контура (контуров) обрабатываемой детали на экране дисплея ЭВМ. При этом, полученное статическое изображение контура (контуров) может быть отображено на принтере или плоттере для получения твёрдой копии графической модели УП.

В связи с этим целесообразно рассмотреть модели графической интерпретации УП на уровне КО-файла как уровня максимально возможного количества ошибок. Для построения модели графической интерпретации УП воспользуемся созданием геометрической кусочно-аналитической граничной модели. Обозначим модель тела, записанную в 180-файле управляющей программы для станка с ЧПУ, через М(Т).

Рассмотрим решение задачи получения кусочно-аналитической модели методом редукции - сведением операций над гранями в трехмерном пространстве к операциями над гранями и сечениями в двумерном пространстве. Модель произвольного тела Т фактически задана перечислением всех остальных граней, причем различным граням соответствуют различные носители граней, т. е. поверхности, в которых лежат все точки граней. Для удобства обозначим грани двух тел Г, и Т2 соответственно буквами а и Р. Пусть М(Г,) и М(Т2) - модели двух тел:

М(Г.) = {а,па)ф = 1; (12)

М(Тг) = {р,п,)]}"]=\, (13)

где (а,па) и (Р,пр)- описание отдельной грани с учетом ее ориентации в пространстве относительно множества внутренних точек тела; и количество различных граней в телах 7| и Тг соответственно.

Обозначим через М(Т+) и М(Т~) - модели тел, являющихся результатами геометрического объединения и вычитания исходных тел 7] и Т2. Тело Т может быть как базовым элементом форм, так и составным телом.

п

Введем понятие сечения тела Т носителем грани п, в которой лежит какая-либо грань иг. При этом справедливо:

(14)

где ЕВ{ТП) - множество внутренних точек тела Г„; - множество точек

его поверхности.

Образуем характеристические подмножества Г], Г2, Га, Гр и Г3,

основываясь на следующих соображениях.

Какая-либо грань любого тела инцидентна своему носителю грани. Грань а одного тела может иметь такой же носитель грани, как и грань /?

другого тела. В случае совпадения носителей пара соответствующих граней может иметь непустое пересечение, т. е. эти грани могут модифицироваться в какие-либо грани поверхности результата операции. С этим связано выделение подмножеств Гх и Г2, представляющих собой множества пар граней, одна из которых принадлежит Тх, а вторая - Т2, причем обе грани лежат на одном носителе, имеют непустое пересечение и одинаковым образом ориентированы в пространстве для Г] и противоположно для Г2. Если какая-либо грань одного тела не совпадает по носителю ни с какой гранью другого тела, то она либо не имеет общих точек с другим телом, либо имеет, причем в этом случае грань проникает внутрь другого тела. Это свойство позволяет выделить множество Га — те грани первого тела, которые имеют непустое пересечение с множеством внутренних точек второго тела. Аналогично, но уже для тела Г2 строится множество Г р. Грани, не вошедшие ни в одно из вышеназванных множеств, составляют множество 1\.

В результате исследования всех случаев вхождения граней исходных тел в характеристические подмножества были получены соотношения, позволяющие для каждого подмножества указать вид геометрической операции, которую надо выполнить над гранями, входящими в это подмножество, либо над гранями и сечениями. Процедуры получения новых граней представлены в табл. 1. Из соотношений, показанных в табл. 1, следует, что решение задачи синтеза двух объектов в пространстве К3 сведено к выполнению геометрических операций синтеза над гранями и сечениями, лежащими на одном носителе, т. е. на одной поверхности.

Задача выполнения геометрической операции над двумя гранями или над гранью и сечением, лежащим на одном носителе, может быть, в свою очередь, редуцирована, т. е. сведена к операциям над отрезком кривых и прямых, лежащих на какой-либо плоскости, которые имеют место в 180-файле управляющей программы для станка с ЧПУ.

Таблица 1.

Процедуры получения новых граней

Подмножества Геометрические операции

Объединение (С/г) Вычитание (\г)

Грани,ориентация Грани, ориентация

Г1 |^+} = аиг/?; па \у~)=а\г ß\ Па

Г2 \у*а}=а\Р\ п" \г1)=р\г а; пР fa~}=cr, Па

га {г+}=а\/- па 1г"}= аV sl> п°

rß \Г*} = Р\г пр \y~}=ß^r SV> -пР

Л И = {ш'М/й} и=н

Кусочно-аналитическая граневая модель тела, записанного в ¡БО-файле управляющей программы, может быть представлена в виде пятиуровневой иерархической структуры.

Тело Т представляется множеством ограничивающих его граней

Г = {а„а2.....а„}; каждая грань задается циклом ограничивающих ребер и

а =</,,/2,...,/„ > нормалью па, направленной из тела; каждое ребро - двойкой точек начала и конца 1=<А,В> и каждая точка - тройкой координат в трехмерном пространстве А = (Х,У,2).

Для реализации аналитических операций над гранями, ограничивающими тело для каждой плоской грани, задается четверка коэффициентов А, В,С и £>, однозначно определяющих уравнение плоскости-носителя. Приведенная модель может быть реализована в виде графа; представленного на рис. 10.

В вершинах первых четырех уровней (I - IV) размещаются ссылки на элементы нижних уровней, на уровне V записываются значения координат вершин циклов граней.

Именно координаты вершин (или точек) являются основными при графической реализации КО-файла управляющей программы на экране дисплея ЭВМ, а кусочно-аналитическая или графовая модель является отправной для реализации принципов статико-графического моделирования УП для станков с ЧПУ.

Графовое представление модели тела, записанного в КО-файле управляющей программы

Статико-графическое моделирование УП подразумевает блочно-модульный принцип построения и реализации, когда на каждый из блоков ложится конкретная функциональная нагрузка, зависящая от его непосредственного назначения.

Одним из наиболее важных блоков реализации статико-графического моделирования УП является адаптивная составляющая под вид технологического оборудования - препроцессор настройки, который представляет собой табличный файл, подобный электронной таблице, и программный модуль в функции которого входит: •чтение таблицы;

•проверка корректности адресов и их значений; •создание таблицы настройки с параметрами системы ЧГТУ, Набор спецификаций таблицы данных представляет собой перечень всех возможных параметров СЧПУ, которые влияют на её геометрические и технологические характеристики. Процедура настройки таблицы заключается в заполнении адресов и их значений, атрибутов и конкретных числовых значений, взятых из паспортных данных СЧПУ. Все параметры настройки и функции, применяемые в УП, соответствуют ГОСТ 20999-83.

Таким образом, процедура статико-графического моделирования позволяет получить модель процесса подготовки УП с целью повышения её качества.

В шестой главе описываются практические аспекты реализации методологии создания гаммы предметно-ориентированных систем CAD/CAM «Гравер», «Раскрой», «Колесо», «Фотошаблон» со средствами графико-синтаксического контроля полученной УП и набором конверторов, в конце главы даётся оценка эффективности применения разработанной методологии создания систем CAD/CAM в среде автоматизированного производства.

Потребность в автоматизации самых разнообразных сфер человеческой деятельности вообще и автоматизированного машиностроительного производства, в частности, особенно - его технологической подготовки, предъявляет к создаваемым информационным системам определенные требования. Они связаны не только со сложностью, многообразием и большим объемом обрабатываемых данных, но и с тем, что большинство пользователей таких систем, как правило, не являются специалистами в области компьютерных технологий.

В работе сформулированы наиболее важные критерии выбора инструментальных средств клиентской части приложений при решении широкого круга информационных задач, в том числе и комплекса задач CAD/CAM УП:

•открытость системы программирования, которая подразумевает наличие высокоразвитого языка, позволяющего создавать новые программные модули;

•скорость разработки;

•поставка в комплекте с инструментарием разработки исходных текстов визуальных компонентов, а также примеров использования структур языка программирования и организации связи как с локальными с базами данных, так и с БД в архитектуре «клиент/сервер»;

•удобство при описании каких - либо базовых операций, связанных с отображением и организацией взаимодействия с распределённой информацией;

•легкость масштабирования доступа к базам данных; •возможность использования программных компонентов и библиотек сторонних фирм-производителей, которые существенно расширяют функциональные свойства инструментальных средств разработки;

•наличие развитого генератора отчётов, позволяющего оперативно и качественно создавать твёрдые копии документов с применением SQL -запросов к базам данных различных типов и форматов;

•возможность расчёта и масштабирования как самих экранных форм, так и отдельных визуальных элементов, не нарушая при этом целостной картины восприятия;

•скорость и точность при выполнении математических расчетов, что в достаточной мере влияет на время, выполнения готовой программы или программного модуля, реализованного в виде DLL-библиотеки либо ОСХ-элемента;

•лёгкость и скорость обнаружения ошибок, трассировки и отладки исходного текста программы.

При программной реализации в среде геометрического процессора AutoCAD используется интерпретатор языка AutoLISP, а при реализации технологического процессора и постпроцессора - DLL-библиотеки (DLL-файлы) с явной и неявной загрузкой, реализованные посредство Borland Delphi.

Так каждому, отдельно взятому DLL-файлу соответствует постпроцессор для определённой системы ЧПУ. Опираясь на открытую архитектуру, библиотека постпроцессоров может свободно пополняться за счёт модулей, реализованных посредством других языков программирования, способных генерировать выходные файлы в формате динамически присоединяемых библиотек.

В работе представлены практически реализованные предметно-ориентированные системы CAD/CAM УП: «Гравер», «Колесо», «Раскрой», «Фотошаблон», конвертор ISO-файлов управляющих программ для оборудования с ЧПУ в графические форматы AutoCAD, а так же - система статико-графического моделирования УП «Tracer».

В современном машиностроительном производстве достаточно часто встречаются Операции, связанные с гравированием надписей и изображений на поверхностях различных изделий. Это может быть и получение гравюр матриц для изготовления печатей и штампов, и гравирование приборных панелей, и зеркальная гравировка на поверхностях формообразующих элементов пресс-форм, и многое другое.

Как правило, такого рода операции выполняются вручную квалифицированным специалистом-гравером или посредством обработки по набору гравировальных планок на копировально-фрезерных (гравировальных) станках. При этом получаемая надпись или изображение должны строго соответствовать техническим требованиям, содержащимся в рабочем чертеже детали. Но, к сожалению, в силу как объективных так и субъективных факторов, этого не всегда удается достичь.

В сложившейся ситуации без сомнения наиболее прогрессивным в данном вопросе является такой подход, при котором для замены рутинных операций по гравированию надписей и изображений указанными способами широко применяется предметно-ориентированная система CAD/CAM проектирования управляющих программ для станков с ЧПУ «Гравер», позволяющая осуществить технологические операции как при помощи лезвийного инструмента, конструкция которого была разработана в ходе проводимых исследований.

Система «Гравер», структурная схема которой изображена на рис. 11, представляет собой совокупность программных средств, позволяющих сначала синтезировать исходное графическое изображение в рамках геометрического процессора AutoCAD с использованием библиотек параметрически описанных шрифтов (в частности по ГОСТ 26.008-85) и изображений, а затем сформировать выходной интерфейсный файл в формате DXF, который является основным источником документированной графической информации. Следует непременно отметить, что по аналогичной схеме с отдельными особенностями фунщионируют предметно-ориентированные системы CAD/CAM УП «Колесо», «Раскрой», «Фотошаблон».

После назначения технологических параметров, на этапе процессирования происходит пересчет геометрических параметров некоторых графических примитивов, автоматически формируется множество контуров обработки с выбором направления движения режущего инструмента. Сформированная последовательность обработки записывается в промежуточный файл (файл операционной технологии) в каноническом формате. Полученный файл является входной информацией этапа постпроцессирования в среде конкретного постпроцессора из библиотеки.

Конечным продуктом работы предметно-ориентированной системы CAD/CAM проектирования управляющих программ для станков с ЧПУ «ГРАВЕР» является ТАР-файл, содержащий УП в кодах ISO конкретной системы ЧПУ. При необходимости полученная УП может быть подвергнута графико-синтаксическому контролю на предмет наличия разного рода ошибок.

В диссертационной работе предлагается к рассмотрению система «Колесо», базирующаяся на технологическом методе, получившем название псевдообкатки. Он позволяет изготовлять цилиндрические прямозубые колеса на универсальном оборудовании с ЧПУ, например, на вертикально-фрезерном станке, электроэрозионном станке для контурной обработки или

технологическом лазерном комплексе. При этом система ЧПУ должна обеспечивать управление оборудованием как минимум по двум координатам.

Структура предметно-ориентированной системы CAD/CAM УП "ГРАВЕР"для станков ЧПУ

Геометрический процессор AUTOCAD

Программные модули на языке AUTOLISP

Создание исходного изображения

Формирование DXF-файла

xZ

ПРОЦЕССОР

Формирование файла операционной технологии

ПОСТПРОЦЕССОР

Формирование файла УП для конкретной С 411У

Библиотека параметризованных графических элементов

С А D

С А М

Библиотека постпроцессоров

Рис. 11.

Предлагаемый метод, так же как и метод обкатки, основан на профилировании боковых поверхностей зубьев путем обкатки ИПК по делительной окружности нарезаемого колеса без проскальзывания. Однако, если при методе обкатки этот процесс реализуется без предварительной подготовки непосредственно на оборудовании благодаря соответствующим

взаимным перемещениям инструмента и заготовки, то при новом методе процесс подготовляется заранее (на этапе технологической подготовки производства) с помощью средств вычислительной техники при разработке управляющей программы (УП) для оборудования с ЧГГУ, т. е. осуществляется моделирование процесса.

Результат моделирования представляет собой совокупность ИПК. Каждый из них ориентирован на плоскости определенным образом и является следом, который будет оставлять реальный ИПК в процессе обкатки в какой-то момент времени. Все вместе следы образуют полный профиль нарезаемого зубчатого колеса. Совокупность ИПК включается в УП как траектория движения инструмента.

Работа подсистемы CAD начинается с ввода исходных данных (число зубьев колеса, его модуль, коэффициент смещения, коэффициент уравнительного смещения и шаг обкатки), необходимых для моделирования процесса обкатки, и с установки некоторых начальных значений и констант.

В подсистеме САМ также предусмотрен ввод исходных данных. В рассматриваемом случае, т. е. при обработке концевой фрезой вводятся: имя DXF-файла; номер УП; номер инструмента (в частности -концевой фрезы); номер корректора; частота вращения шпинделя; вертикальная и горизонтальная подачи; команда включения (отключения) охлаждения; ширина венца нарезаемого колеса; расстояние от торца заготовки до плоскости ускоренных перемещений.

Технологический процессор работает автоматически, без вмешательства пользователя. Функционирование системы CAD/CAM УП заканчивается после работы постпроцессора и контроля полученной УП с целью выявить в ней возможные синтаксические, геометрические и технологические ошибки.

Предложенный метод изготовления зубчатых колес расширяет функциональные возможности существующего технологического оборудования с ЧПУ, дополнительные затраты при этом сводятся к минимуму. Кроме того, упомянутый выше метод позволяет изготавливать зубчатые колёса с модулем, отличным от стандартного.

Из анализа современного уровня опытного и единичного машиностроительных производств можно заключить, что весьма значительная доля заготовок и часть деталей изготовляется из листового металлопроката. В этой связи актуальна задача автоматизации проектирования управляющих программ как для операции раскроя листового материала, так и операций вырубки-пробивки отверстий различной формы и размеров на оборудовании, оснащенном различными системами ЧПУ. Для решения этой актуальной проблемы в работе предлагается использовать предметно-ориентированную систему CAD/CAM УП «Раскрой».

Как и в рассмотренных ранее системах, базовым средством интерактивной машинной графики является геометрический процессор AutoCAD. В его рамках создается база данных параметрически описанных

деталей, получаемых при раскрое листового материала. Каждая деталь обладает своим набором описателей - дескрипторов.

Следует отметить, что существуют методы и программы автоматизированного расчета размещения заготовок на плоскости для выполнения операции раскроя. Но методики отображают лишь инвариантные процедуры операции раскроя, поэтому при переходе от методик к реальному раскрою всегда существуют технологические особенности, требующие корректировок, редактирования, дополнений, т. е. оперативного вмешательства специалиста-технолога. Поэтому наиболее оптимальным является выбор интерактивного режима проектирования операции раскроя на базе апробированных пакетов CAD/CAM с активным участием технолога уже на этапе проектирования операции.

На первом этапе технолог-программист в интерактивном режиме выбирает форму и размеры раскраиваемого листа, формирует набор деталей для вырезки и располагает их оптимальным образом на поверхности выбранной заготовки посредством манипулятора «мышь». Процедура описания контуров резки контролируется на экране дисплея и может быть отредактирована. Важными моментами являются, во-первых, выбор точки начала резки, во-вторых, способ подхода к обрабатываемому контуру и отхода от него. Далее, после получения DFX-файла, в рамках технологического процессора предметно-ориентированной системы CAD/CAM УП, интерактивно назначаются режимы обработки и другие параметры, необходимые и достаточные для подготовки УП раскроя листового материала и выполнения операций вырубки-пробивки.

На этапе процессирования происходит пересчет геометрических параметров некоторых графических примитивов, автоматически формируется множество контуров обработки с выбором направления движения инструмента (газо-плазменной горелки, луча лазера или пуансона).

Сформированная последовательность обработки записывается в промежуточный файл (файл операционной технологии) в каноническом виде. Полученный файл является входной информацией для этапа постпроцессирования в среде конкретного постпроцессора, имеющегося в библиотеке. Конечный продукт работы предметно-ориентированной системы CAD/CAM проектирования управляющих программ для оборудования с ЧГТУ -ТАР-файл, содержащий УП в кодах ISO конкретной системы ЧПУ.

В опытном производстве радиотехнических, электротехнических, машиностроительных и других изделий часто встречаются операции, связанные с получением надписей и изображений фотохимическими методами. Это может быть нанесение надписей и изображений на печатные платы, изготовление панелей различных приборов и бирок, получение матричных форм для печатей и штампов и многое другое.

Традиционно эти операции связаны с длительной процедурой получения фотошаблонов, заключающейся в подготовке исходного графического изображения на кальке или бумаге, получении негатива на

фотопленке (негативного фотошаблона), а в случае необходимости -фотографического позитива. При этом часто приходится прибегать к ретушированию изображения на фотопленке. Такой способ малопроизводителен и является неэкономичным.

Использование предметно-ориентированной системы «Фотошаблон» CAD/CAM УП для получения фотошаблонов с применением координатографа, оснащённого системой ЧПУ, поможет избежать упомянутых выше недостатков. Кроме того, данная система позволяет решать комплекс вопросов по подготовке УП для сверления отверстий в печатных платах на специализированном технологическом оборудовании.

Современный уровень развития машиностроительного производства и, в частности, станочного парка с ЧПУ позволяют осуществить переход от программного носителя на бумажной или лавсановой перфоленте к использованию магнитных и магнитооптических дисков, а также технологически ориентированных вычислительных сетей. Тем не менее, на сегодняшний день доля УП, хранящихся на перфолентах всё ещё остаётся весьма значительной. Кроме того, любое функционирующее машиностроительное производство осуществляет планомерную замену устаревшего оборудования вместе с системами ЧПУ на новое, что приводит к появлению определённых трудностей и проблем, сопряжённых с переводом имеющихся УП в формат новых СЧПУ, особенно если УП подготавливались вручную. Обозначенную проблему возможно решить, создав программу-конвертор, приводящую имеющуюся информацию к единому формату хранения графического изображения, например, к такому, как в системе AutoCAD.

Исходя из этого, необходимость в конвертировании ISO-файлов управляющих программ в форматы DXF или IGES системы AutoCAD возникает в следующих случаях:

•при изменении технологического процесса обработки детали на станке

с ЧПУ;

•при переводе кода ISO управляющей программы из формата одной системы ЧПУ металлорежущим оборудованием в другой;

•при использовании типовых программно-технологических решений; •для получения статической графической модели УП на графопостроителе за счет средств геометрического процессора; •для создания базы данных УП.

Рассматриваемый конвертор представляющий собой автономный программный модуль, который основывается на принципах графической реконструкции ISO-файлов УП. Он предназначен для воссоздания исходного графического изображения из формата ISO в формат DXF или IGES системы CAD с возможностью перевода в форматы международных стандартов.

Работа конвертора заключается в интерпретации ISO-файла управляющей программы с последующим формированием заголовка DXF-

файла, блоков, содержащих разнообразные геометрические элементы такие как точки, прямые, дуги, окружности, а также секции реализации, включающей в себя ссылки на блоки геометрических элементов.

Существует реальная возможность предоставления конечного изображения, записанного в DXF-файле, в любой из перечисляемых плоскостей: XOY, XOZ, YOZ. В рамках графических редакторов геометрического или технологического процессоров изображение, записанное в DXF-файле, может быть отредактировано, согласно, предъявляемым требованиям, и подвергнуто дальнейшему процессированию. При необходимости возможно осуществить конвертирование графической информации в среде геометрического процессора AutoCAD по одному из сценариев: DXF - IGES или DXF - DXB и т.д.

Применение WIMP-интерфейса значительно облегчает ведение диалога конечного пользователя с ЭВМ. Последовательность действий пользователя для получения графической модели УП в системе координат 2-Зх, на экране дисплея компьютера выглядит следующим образом.

1.Выбор ISO-файла УП и проведение её синтаксического контроля.

2.Редактирование УП, при наличии в ней ошибок.

3.Установка геометрических опций - проекции изображения, размеров окна по осям ОХ, OY, OZ.

4.Установка технологических опций - номера активного инструмента, режимов отработки УП при её моделировании.

5.Установка графических опций - цвет и толщина линий.

Рассмотрим практику применения вышеназванного метода и системы

«Тгасеп> на примере получения управляющих программ на обработку и их статико-графического моделирования с последующим получением твердых копий изображений на принтере.

Для этого воспользуемся управляющими программами полученными в результате работы предметно-ориентированных систем CAD/CAM.

После ввода имени файла производится синтаксический контроль УП с выводом кадров программы на экран дисплея персональной ЭВМ. По завершении синтаксического контроля следует графическая интерпретация кадров программы, при этом на экране дисплея воссоздаётся геометрический образ детали (или части детали), на которую была разработана УП. Реконструированные изображения показаны соответственно на рис. 12 (УП для изготовления фотошаблона), рис. 13 (УП для изготовления зубчатого колеса), рис. 14 (УП для изготовления пуансона).

Из проделанного в работе видно, что фактически реализован метод статико-графического моделирования изображения путем интерпретации файла УП в коде IS0-76ht.

Полученные изображения позволяют судить об адекватности исходных и конечных контуров, что указывает на корректную разработку управляющих программ и возможность их дальнейшей отработки на технологическом оборудовании сЧПУ.

TEA.....A^^é^ÈO

X Рис. 12.

Вопрос оценки эффективности программного обеспечения систем CAD/CAM в целом, является достаточно сложным, и, к сожалению, в настоящее время не существует единого подхода.

Тем не менее, при оценке укрупнённой эффективности использования разработанных методик и ПО у потребителя, заказчика или конечного пользователя были выявлены факторы, определяющие эффективность.

Такими факторами являются:

1) сокращение времени, затрачиваемого на выполнение операций, связанных с вводом, обработкой, поиском, хранением и выводом информации;

2) повышение производительности труда работников при использовании разработанного ПО;

3) повышение качества проектирования, инженерных решений и технической информации;

4) уменьшение сроков проектирования и создания новых объектов;

5) сокращение количества работающих;

6) сокращение потерь от брака;

7) сокращение потребности в материальных ресурсах.

В общем эффект от внедрения статико-графического моделирования УП в среде CAD/CAM автоматизированного производства оценивается по трем основным направлениям:

1)сокращение трудоемкости проектирования УП за счет повышения производительности труда, сокращения доли ручных и рутинных операций и т.д.;

2)повышение качества управляющей программы и, как следствие, готового изделия;

3)сокращение сроков проектирования УП и получение доли годового экономического эффекта от внедрения готового изделия.

В работе рассматривается метод оценки эффекта от сокращения трудоемкости проектирования управляющих программ в среде систем CAD/CAM при использовании метода статико-графического моделирования УП. Предлагается оценивать эффект с использованием коэффициента автоматизации, который определен как отношение трудоёмкостей в неавтоматизированном и автоматизированном вариантах:

k™m=J±_ (15)

у грает 7 4 '

у

где к°"т - коэффициент этапа ij процесса проектирования;

Tv - трудоемкость неавтоматизированного проектирования этапа ij;

Т™т - трудоемкость автоматизированного проектирования этапа ij.

Коэффициент автоматизации является интегральной оценкой эффекта от внедрения систем CAD/CAM при проектировании УП и показывает во сколько раз изменяется трудоемкость при использовании средств автоматизации.

Вполне очевидно, что трудоемкость контроля УП вручную (сравнение оригинала УП с её распечаткой) или даже с привлечением традиционных средств контроля (УПДЛ) гораздо выше, нежели при ее статико-графическом моделировании на персональной ЭВМ.

Время контроля и трудозатраты при контроле УП

неавтоматизированным способом значительно больше, чем при ее моделировании. В этом случае коэффициент автоматизации данного уровня подготовки УП кут > 1. Исходя из этого, воможно говорить об эффективности

метода и программного обеспечения статико-графического моделирования управляющих программ в среде CAD/CAM автоматизированного производства.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы.

1. Решена научная проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение и заключающаяся в разработке методов и средств автоматизированной подготовки управляющих программ для технологического оборудования с ЧПУ с целью решения комплекса вопросов, сопряжённых с обеспечением требуемого качества технологических процессов, сокращением материальных и временных затрат опытного и единичного производств.

2. Проведенный анализ способов реализации систем CAD/CAM в процессе проектирования управляющих программ в среде автоматизированного производства показал, что именно модульный принцип построения систем CAD/CAM при создании управляющих программ для разнообразных станков с ЧПУ позволяет гибко использовать различные уровни программирования УП в зависимости от характера производства и степени автоматизации.

3. Разработанная концепция перенастраиваемой проблемно-ориентированной среды позволила создать оптимальную математическую модель предметно - ориентированных сред.

4. С целью организации проектирования систем CAD/CAM построена множественная математическая модель предметно - ориентированных сред, которую целесообразно применять при разработке и реализации программно-математического обеспечения.

5. Для оптимизации технологических процессов обработки изделий на оборудовании с ЧПУ разработаны методологические основы представления предметно - ориентированных систем с точки зрения технологических процессов, включающие в себя: оптимизацию числа смен режущего инструмента в УП для станков с ЧПУ; использование механизмов формальных параметров и подпрограмм при проектировании УП; формирование терминальных символов кадров УП; повышение производительности CAD/CAM-систем за счёт применения RISC-технологии; оптимизацию CAD/CAM-систем за счёт применения предметно - ориентированных баз данных. Кроме того, решены проблемы масштабирования баз данных в системах CAD/CAM.

6. С целью реализации интерфейса пользователя в объектно-ориентированной среде с использованием RAD-средств разработаны объектные средства интерфейса пользователя, используемые при проектировании предметно - ориентированных систем CAD/CAM для этого выполнено: обоснование выбора интерфейса пользователя; построение функциональной модели диалога; формализована процедура порождения инструментальных диалоговых средств, что в целом позволило унифицировать диалоговые средства, применяемые в упомянутых выше системах.

7.Для повышения качества и надёжности управляющих программ для оборудования с ЧПУ разработана методика построения средств контроля УП с помощью статико-графического моделирования. Выявлено, что актуальную задачу повышения качества УП целесообразно решать на уровне создания средств контроля выходного файла УП в коде ISO-7 бит, поскольку именно этот выходной файл содержит ошибки всех предыдущих этапов программирования. Предложенные методические, аналитические и программные средства реализации контроля УП с помощью статико-графического моделирования ISO-файла УП позволяют повысить эффективность процесса создания управляющих программ в среднем на 20%, снизив при этом трудоемкость их контроля, а адаптивная составляющая -препроцессор настройки на систему ЧПУ позволяет расширить диапазон

статико-графического моделирования ISO-файлов УП, предназначенных для процессирования на различных системах ЧПУ современного типа.

8.Для подтверждения теоретических положений, рассмотренных в диссертационной работе, реализована методология создания гаммы предметно-ориентированных систем CAD/CAM «Гравер», «Раскрой», «Колесо», «Фотошаблон» со средствами графико-синтаксического контроля полученной УП. Выявлено, что за счёт применения предметной ориентации при автоматизированной подготовке управляющих программ для оборудования с ЧПУ и баз данных параметризованных элементов поверхности как составной части резко сокращается, по сравнению с универсальными системами, объём описательной информации о детали, достигается высокий уровень автоматизации при проектировании УП вплоть до их автоматического выпуска. При этом время, затрачиваемое на создание управляющих программ уменьшается в среднем в 2 - 5 раз. Кроме того, следует отметить, что на современном уровне развития производства предметно-ориентированные системы CAD/CAM могут служить хорошим, а в некоторых случаях и единственным инструментом для реализации новых технологических методов механической и физико-химической обработки.

9. В случае оценки эффективности практического применения разработанной методологии создания систем CAD/CAM в среде автоматизированного производства выявлено, что выбор универсальности системы CAD/CAM зависит от множества факторов, определяемых конструктивными и технологическими особенностями изготавливаемых деталей, типом производства, уровнем его автоматизации. При этом главным критерием выбора является фактор экономической целесообразности.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях.

1 .Шемелин В.К., Ковшов Е.Е. Метод статико-графического моделирования систем CAD/CAM при проектировании управляющих программ для станков с ЧПУ / МосСТАНКИН. - М., 1991. - 9 с. Деп. во ВНИИТЭМР №37 - мш 91.

2. Ковшов Е.Е. Препроцессор системы графико-синтаксического контроля управляющих программ для станков с ЧПУ.- М.: МГЦНТИ. ИЛ о ПО. №234-91.- 4с.

3. Шемелин В.К., Ковшов Е.Е., Сычёв А.Г. Метод CAD/CAM при проектировании, изготовлении гребенчатых фрез и резьбофрезеровании отверстий на станках с ЧПУ.-М.:МГЦНТИ.ИЛ о ПО.№261-91.- Зс.

4. Шемелин В.К., Ковшов Е.Е. Графическое моделирование файлов управляющих программ для оборудования с числовым программным управлением в системах CAD/CAM И Сборник тезисов докладов совещания семинара «Интерактивное проектирование технических устройств и автоматизированных систем на персональных ЭВМ». Ворнеж: ВПИ, 1991. С. 75-76.

5. Ковшов Е.Е. Статико-графическое моделирование систем CAD/CAM при проектировании управляющих программ для станков с ЧПУ // Диссертация на соиск. уч. степ. канд. техн. наук: 05.13.07.-М.: Мосстанкин, 1991. - 155 с.:ил.

6. Ковшов Е.Е., Сычёв А.Г. ISO-конвертор в системах CAD/CAM управляющих программ для станков с ЧПУ.-М.: МГЦНТИ. ИЛ о ПО. №163-92, Зс.

7. Ковшов Е.Е. Формирование терминальных символов кадров управляющих программ для оборудования с ЧПУ.-М.: МГЦНТИ. ИЛ о ПО. №247-92,3 с.

8. Ковшов Е.Е. Метод построения предметно-ориентированной системы CAD/CAM при проектировании управляющих программ для раскроя листового материала на оборудовании с ЧПУ.-М.: МГЦНТИ. ИЛ о ПО. №410-92, 4 с.

9. Ковшов Е.Е. Предметно-ориентированная система CAD/CAM УП для получения фотошаблонов на координатографе с ЧПУ «АРИСТОМАТ-401».-М.: МГЦНТИ. ИЛ о ПО. №412-92, 4 с.

Ю.Ковшов Е.Е. Практика применения предметно-ориентированной системы CAD/CAM проектирования управляющих программ для станков с ЧПУ «ГРАВЕР» / МосСТАНКИН.- М„ 1992. - 10 с. Деп во ВНИИТЭМР №69-мш 92.

11 .Ковшов Е.Е., Шемелин В.К. Использование механизмов формальных параметров и подпрограмм при проектировании управляющих программ в среде предметно-ориентированных систем CAD/CAM УП для устройств ЧПУ класса CNC.-M.: МГЦНТИ. ИЛ о ПО. №513-92,4 с.

12.Ковшов Е.Е. Конвертор в предметно-ориентированной системе CAD/CAM проектирования УП для сверления отверстий в печатных платах на станках с ЧПУ. - М.: МГЦНТИ. ИЛ о ПО. №515-92,4 с.

13.Ковшов Е.Е. Оптимизация управляющих программ для оборудования с ЧПУ. -М.: МГЦНТИ. ИЛ о ПО. X°534-92, 4 с.

14.Ковшов Е.Е. Алгоритмы синтеза графической модели объекта производства в предметно-ориентированных системах CAD/CAM для оборудования с ЧПУ / МосСТАНКИН. - М., 1993. - 6 с. Деп во ВНИИТЭМР №6 - мш 93.

15.Ковшов Е.Е. О новом подходе при генерации предметно-ориентированных систем CAD/CAM / МосСТАНКИН. - М., 1993. - 8 с. Деп во ВНИИТЭМР №7 - мш 93.

16.Ковшов Е.Е. Организация диалога в предметно-ориентированных системах CAD/CAM УП. - М.: МГЦНТИ. ИЛ о ПО. №41-93, 4 с.

17.Ковшов Е.Е., Сычёв А.Г. Повышение качества подготовки управляющих программ в условиях гибкого автоматизированного производства // Станки и инструмент. 1993. №6. С.2-3.

18.Ковшов Е.Е., Шемелин В.К., Сычёв А.Г. Построение предметно-ориентированных систем CAD/CAM для оборудования с ЧПУ // СТИН. 1993. №3. С. 2-3.

19.Ковшов Е.Е. Предметно - ориентированные системы автоматизированного проектирования управляющих программ для

оборудования с ЧПУ в технологической подготовке производства // Приборы и системы управления. 1993. №9. С.37-39.

20.Ковшов Е.Е., Шемелин В.К. Методология создания и эксплуатации предметно-ориентированной системы CAD/CAM проектирования управляющих программ для оборудования с ЧПУ при автоматизации технологической подготовки заготовительного производства // Кузнечно-штамповочное производство. 1994. №1.С. 16-18.

21.Шемелин В.К., Ковшов Е.Е. Концепция создания предметно-ориентированных систем CAD/CAM // Приборы и системы управления. 1994. №1. С.18-19.

22.Шемелин В.К., Ковшов Е.Е. Проблемы оптимизации систем CAD/CAM // Приборы и системы управления. 1994. №2. С.12-13.

23 .Ковшов Е.Е., Сычёв А.Г. Способ изготовления прямозубых цилиндрических колес на универсальном оборудовании с ЧПУ в условиях единичного и опытного производства / МосСТАНКИН.-М., 1993. - 12 с. Деп во ВНИИТЭМР №38- мш 93.

24.Ковшов Е.Е. Тенденции сближения процессов конструирования и разработки технологий в современных системах CAD/CAM / МосСТАНКИН.-М., 1993. - 10 с. Деп во ВНИИТЭМР №39- мш 93.

25.Ковшов Е.Е., Сычёв А.Г., Шемелин В.К. Использование параметризованных элементов поверхности при подготовке управляющих программ для оборудования с ЧПУ // СТИН. 1994. №4. С.6-8.

26.Ковшов Е.Е., Сычёв А.Г. Изготовление эвольвентных цилиндрических колёс на оборудовании с ЧПУ // СТИН. 1994. №9.С.17-19.

27.Шемелин В.К, Ковшов Е.Е. Унификация доступа к различным базам данных // СТИН. 1996. №9. С.5-8.

28.Ковшов Е.Е., Шемелин В.К. Повышение качества и надёжности управляющих программ для оборудования с ЧПУ при эксплуатации систем САО/САМ//Новые промышленные технологии.1997.№2.С.47-50.

29.Ковшов Е.Е. Поиск оптимальной структуры систем CAD/CAM. // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов. Вып.6. -М.: МГТУ «СТАНКИН». 1997. С. 21-22.

30.Ковшов Е.Е., Шемелин В.К. Динамика развития современных CAD/CAM-систем // V международная конференция по динамике технологических систем. Тезисы докладов. Том I. Ростов-на-Дону: РГУ, 1997. С. 97-99.

31.Ковшов Е.Е. Принципы построения систем CAD/CAM механообработки с предметной ориентацией для условий единичного и опытного производства. // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов. Вып.8,- М.:МГТУ «СТАНКИН». 1997.С. 17-21.

32.Ковшов Е.Е., Водянников Д.В. Проблемы масштабирования баз данных в условиях функционирования систем CAD/CAM. // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов. Вып.8. - М.: МГТУ «СТАНКИН». 1997. С. 72-75.

33.Ковшов Е.Е. Управляющая программа для оборудования с ЧПУ как продукт функционирования систем CAD/CAM. // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов. Вып.8. - М.: МГТУ «СТАНКИН». 1997. С. 75-81.

34.Ковшов Е.Е., Шемелин В.К. Некоторые аспекты практического применения RAD-средств для разработки приложений баз данных в машиностроительном производстве // Международная конференция «Информационные средства и технологии». Тезисы докладов. Том И. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1997. С. 121-126.

Зб.Ковшов Е.Е. Выбор инструментальных средств при создании информационных систем для автоматизированного машиностроительного производства. // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов. Вып.9. - М.: МГТУ «СТАНКИН». 1998. С. 40-42.

36.Ковшов Е.Е., Шемелин В.К. Использование среды быстрой разработки приложений при создании систем управления базами данных // СТИН. 1998. №2. С. 26-29.

37.Ковшов Е.Е., Шемелин В.К. Применение RISC - технологии в системах CAD/CAM // Международная конференция «Информационные средства и технологии». Тезисы докладов. Том II. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1998. С. 171-177.

38.Ковшов Е.Е. К вопросу оптимизации управляющих программ для оборудования с ЧПУ // IV международная научно-техническая конференция «Точность технологических и транспортных систем». Тезисы докладов. Пенза.:ПГУ,1998.С. 49-50.

39.Ковшов Е.Е., Шемелин В.К. Метод повышения производительности CAD/CAM-систем на основе применения RISC - технологии // Информатика -машиностроение. 1998. №2. С. 36-40.

40.Ковшов Е.Е. Разработка систем CAD/CAM УП для условий единичного и опытного производств // СТИН. 1998. №7. С. 11-15.

41.Kovshov Е.Е., Sychev A.G. Improving the quality of NC program preparation for flexible automated manufacturing systems. Russian Engineering Research. Alerton Press. New York. 1994. Vol.13. №6. p. 18-20.

42.Kovshov E.E., Shemelin V.K., Sychev A.G. Construction of subject -oriented CAD/CAM systems for preparing NC programs. Russian Engineering Research. Alerton Press. New York. 1994. Vol.13. №9. p. 35-37.

43.Kovshov E.E., Sychev A.G., Shemelin V.K. The use of parametrized elements of a surface during computerized preparation of NC programs for NC equipment. Russian Engineering Research. Alerton Press. New York. 1995. Vol. 13. №4. p. 33-37.

44.Kovshov E.E., Sychev A.G. Generating involute spur gear wheels on NC equipment. Russian Engineering Research. Alerton Press. New York. 1995. Vol. 13. №9. p. 63-66.

45.Shemelin V.K., Kovshov E.E. Unification of access to various databases. Russian Engineering Research. Alerton Press. New York. 1997. Vol.l6.№9.p. 42-45.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ковшов Е.Е.

Сокращение материальных и временных затрат опытного и единичного производств путем автоматизированной подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ

Сдано в набор Подписано в печать

Формат 60x90/16 Бумага 80 гр/м2

Объем 3.06 уч. - изд. л. Тираж 100 экз. Заказ №752

Издательство "Станкин" 101472, Москва, Вадковкий пер.,

ПЛД № 53-227 от 09.02.96г.

, . I уУ „.., , X

/ ¿-..у

2 9.1Л-9Ц- Ъ 1Щ/в У

44 €Г "

Московский государственный технологическии университет

- «СТАЬЖИН»

/

На правах рукописи

КОВШОВ Евгений Евгеньевич

СОКРАЩЕНИЕ МЛ ТЕРМАЛЬНЫХ И ВРЕМЕННЫХ ЗА ТРА Т ОПЫТНОГО И ЕДИНИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВ ПУТЁМ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДГОТОВКИ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ С ЧПУ

Специальность: 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и

производств (машиностроение)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

ПУШ Александр Валентинович

Москва-1998

СОДЕРЖАНИЕ

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

1.ОСНОВЫ КОНЦЕПЦИИ ПЕРЕНАСТРАИВАИМОЙ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ СРЕДЫ ПРИ СОЗДАНИИ И РЕАЛИЗАЦИИ CAD/CAM СИСТЕМ

1.1 .Состояние вопроса и формулировка комплекса задач исследований.................................................................................................27

1.2.Концептуальное представление функциональных связей спецификаций области предметных задач со структурой автоматизированных систем .......................................................................48

1.3.Структурная оптимизация связей предметной области с архитектурой CAD/CAM-систем................................................................53

1.4.Параметрическая оптимизация связей спецификаций предметных областей с механизмом представления систем автоматизированного проектирования......................................................58

1.5.Отображение связей процедур автоматизированного проектирования и автоматизированного изготовления...........................68

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕДМЕТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ СРЕД ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ CAD/CAM

2.1.Построение множественной модели предметно-ориентированных сред.................................................................................78

2.2.Связи параметрических и структурных уровней в модели предметно-ориентированных сред.............................................................88

2.3.Имитационное моделирование предметно-ориентированных сред на заданном пространстве параметров..............................................96

3.МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРЕДМЕТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ САБ/САМ-СИСТЕМ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

3.1.Оптимизация технологического процесса механообработки

изделий на оборудовании с ЧПУ..............................................................102

3.1.1 .Оптимизация числа смен режущего инструмента в управляющих программах для станков с ЧПУ.......................................105

3.1.2.Использование механизмов формальных параметров и подпрограмм при проектировании управляющих программ................115

3.1.3.Формирование терминальных символов кадров управляющих программ.............................................................................118

3.2.Повышение производительности CAD/CAM-систем за счёт

применения RISC-технологии...................................................................120

3.3.Оптимизация CAD/CAM-систем за счёт применения

предметно-ориентированных баз данных................................................129

3.4.Проблемы масштабирования баз данных в системах CAD/CAM....................................................................................................137

4.РАЗРАБОТКА ОБЪЕКТНЫХ СРЕДСТВ ИНТЕРФЕЙСА ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПРЕДМЕТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ СИСТЕМ САБ/САМ

4.1.Обоснование выбора интерфейса пользователя...................145

4.2. Построение функциональной модели диалога....................149

4.3.Формализация процедур порождения инструментальных диалоговых средств....................................................................................152

4.4.Реализация интерфейса пользователя в объектно-ориентированной среде..............................................................................157

5 .ПРИНЦИПЫ И МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ С ЧПУ С ПОМОЩЬЮ СТАТИКО - ГРАФИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

5.1 .Принципы реализации корректности управляющих программ

в процессе их проектирования..................................................................167

5.2.Общие принципы контроля уровней подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ в среде систем CAD/CAM....................................................................................................179

5.3.Обоснование и построение моделей графической интерпретации управляющей программы на уровне ISO-файла..........183

5.3.1.Кусочно-аналитическая граничная модель графической интерпретации ISO-файла управляющей программы............................183

5.3.2. Графовая модель графической интерпретации ISO-файла управляющей программы.......................................................186

5.4.Принципы реализации статико-графического моделирования управляющей программы..........................................................................188

5.4.1 .Блок линеаризации управляющей программы...................191

5.4.2. Блок препроцессора настройки на систему ЧПУ.............194

5.4.3.Блок синтаксического контроля управляющей программы...................................................................................................196

5.4.4.Блок выбора и установки параметров графического моделирования управляющей программы...............................................198

5.4.5.Блок получения графической модели управляющей программы на экране дисплея ЭВМ.........................................................200

6.ПРАКТИКА РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ПРЕДМЕТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ СИСТЕМ CAD/CAM

6.1.Реализация средств моделирования предметно-ориентированных систем CAD/CAM.......................................................204

6.2.Примеры применения методов проектирования предметно-ориентированных систем CAD/CAM.......................................................212

6.2.1.Предметно - ориентированная система CAD/CAM УП для станков с ЧПУ «Гравер»............................................................................216

6.2.2.Предметно - ориентированная система CAD/CAM изготовления эвольвентных цилиндрических колёс на оборудовании с ЧПУ «Колесо».............................................................................................227

6.2.3.Предметно - ориентированная система CAD/CAM подготовки УП для операций раскроя листового материала на оборудовании с ЧПУ «Раскрой»...............................................................236

6.2.4.Предметно - ориентированная система CAD/CAM УП для получения фотошаблонов на координатографе с ЧПУ «Фотошаблон».............................................................................................246

о

6.2.5.Конвертирование ISO-ФАИЛОВ УП для оборудования с ЧПУ в графические форматы AutoCAD..................................................251

6.3.Применение программных средств верификации управляющих программ для оборудования с ЧПУ.................................255

6.4,Оценка эффективности практического применения разработанной методологии создания систем CAD/CAM в среде автоматизированного производства.........................................................268

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................................................276

ЛИТЕРАТУРА

279

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Исходные тексты основных программных модулей, используемых в предметно-ориентированных системах CAD/CAM....................................................................................................303

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Исходные тексты отдельных программных модулей системы статико-графического моделирования управляющих программ для оборудования с ЧПУ..........................................................336

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Справки об использовании результатов работы ....................................................................................................

364

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня под словосочетанием системы автоматизированного проектирования и производства (САПР/АСТПП) понимается гораздо большее, нежели просто «программно-аппаратный комплекс для выполнения проектных и производственных работ с использованием компьютеров», и зачастую этот термин используется прежде всего как удобная аббревиатура для обозначения большого класса систем автоматизации. Это связано с тем, что за последние 10-15 лет такие системы прошли большой путь развития от «электронных кульманов» первого поколении, предназначенных в основном для машинной подготовки проектной документации, до современных систем, автоматизирующих практически все процессы, связанные с проектированием и изготовлением новых изделий, будь то деталь, узел машины или целый автомобиль, самолет или здание.

С развитием и внедрением автономных автоматизированных систем проектирования изделий, технологической подготовки производства, управления организационно-экономическими и технологическими процессами были созданы предпосылки к возможности создания систем CAD/CAM /4-7, 10, 12, 15, 23, 26, 41, 43, 50-56, 102, 116, 119, 141, 142, 144-149, 150, 158, 165, 169, 172, 177, 178, 187, 191, 195, 203, 205, 208-211, 223, 225-227/. Огромную роль в этом сыграли В.И.Аверченков, Б.М.Базров, Б.С.Балакшин, Г.К.Горанский,

A.М.Дальский, Н.М.Капустин, В.М.Кован, В.С.Корсаков, М.Г.Косов,

B.Г.Митрофанов, С.П.Митрофанов, А.В.Мухин, В.В.Павлов, А.П.Соколовский, Ю.М.Соломенцев, В.Л.Сосонкин, Н.М.Султан-Заде, Е.Б.Фролов, В.Д.Цветков, Б.И.Черпаков, М.А.Эстерзон и многие другие отечественные и зарубежные учёные.

Термином CAD/CAM обозначается область деятельности, связанная с созданием и эксплуатацией систем автоматизированного проектирования (CAD) и автоматизированного производства

(САМ). CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) - это такая технология, которая ориентирована на применение ЭВМ для выполнения определенных функций проектирования и выпуска изделий и предполагает тесную интеграцию процессов проектирования и производства.

Таким образом, современная система CAD/CAM способна обеспечить автоматизированную поддержку работ инженеров и специалистов практически на всех стадиях цикла проектирования и изготовления новой продукции.

В основу каждой CAD/CAM-системы заложена определенная математическая модель, формализующая описание и функционирование проектируемых изделий и процессы их изготовления. И природа изделий, и производственные процессы накладывают свою специфику на методы их математического моделирования. В конечном счете эта специфика приводит к существенному различию систем проектирования и условий их использования.

Так, в CAD/CAM-системах изделий электроники, благодаря практически полной стандартизации конечного числа компонентов, используются функциональные математические модели, основанные на структурном описании разрабатываемого изделия, с весьма высоким уровнем формализации. Во всех же остальных системах, несмотря на различную природу создаваемых с их помощью объектов (детали и узлы машин и механизмов, сети трубопроводов и электрические сети, архитектурные и инженерно-технические сооружения и т. д.), основу математической модели всегда составляет геометрическая модель проектируемого изделия, дополняемая функциональным описанием. Из

всех CAD/CAM-систем наибольший интерес представляют системы для машиностроения: в настоящее время круг решаемых ими задач максимально широк, а сложность наиболее высока.

Ни для кого не секрет, что бесхозяйственное управление предприятиями машиностроительных отраслей российской промышленности в течение последних лет привело к почти полному моральному и физическому износу технологического оборудования - и, как следствие, низкому качеству производимой на нем продукции. Переход к открытой рыночной экономике сделал ее полностью неконкурентоспособной. Большинству отечественных предприятий сейчас необходимо практически полное переоснащение производственной базы/6, 11, 26, 33, 52, 77, 125, 139, 144-146/.

В то же время задержка использовании информационных технологий в промышленности может позволить внедрить их быстро и с минимальными потерями, с учетом опыта и ошибок ведущих западных фирм. Системы CAD/CAM масштаба предприятия (или полномасштабные) призваны сыграть в процессе информатизации машиностроения особую роль. Ведь они являются инструментальной базой по отношению ко всем остальным системам автоматизации производственной и хозяйственной деятельности и, как правило, основываются на последних достижениях в области автоматизации инженерного труда и организации производства.

Имеющиеся в настоящее время на рынке CAD/CAM системы для машиностроения по широте охвата решаемых с их помощью задач можно разделить на универсальные и специализированные, причем последние используются как самостоятельно, так и в составе универсальных.

Все универсальные CAD/CAM-системы содержат три обязательные категории подсистем:

1)пакеты программ для графического ядра системы. Типичными представителями специализированных программ этой категории могут служить ACIS (Spatial Technology) и Concept Modeller (Wisdom), реализующие твердотельную вариационную геометрию при создании геометрических моделей;

2)пакеты для всестороннего анализа и оценки функциональных и эксплуатационных свойств с помощью методов моделирования на различных уровнях физического представления проектируемых объектов. Их использование позволяет почти полностью отказаться от дорогостоящего изготовления прототипов проектируемых изделий и их натурных испытаний. Такие системы обычно отличаются высокой сложностью и стоимостью и охватывают широкий круг задач моделирования технических объектов. Здесь наиболее распространены системы моделирования на распределенном уровне, использующие метод конечных элементов (МКЭ). В зависимости от типа проектируемых изделий, технологии их изготовления и условий эксплуатации они также подразделяются на универсальные и специализированные. К числу самых известных универсальных систем относятся NAS-TRAN, NISA II PATRAN, ANSYS и некоторые другие такие как: SIMTEC и MAG-MAsoft (моделирование процессов отвердевания металлических отливок), MoldFlow (процессы литья пластмасс), OPTRIS (деформации при листовой штамповке). Для моделирования кинематики и динамики механизмов используются такие пакеты, как ADAMS, DADS, для моделирования технических объектов различной физической природы на сосредоточенном уровне -система SABER;

3)системы для подготовки управляющих программ станков и технологического оборудования с ЧПУ. Как правило, они имеют собственный достаточно развитый графический редактор, позволяющий на

основе чертежа детали создавать ее геометрическую модель, которая затем используется для генерации управляющей программы систем ЧПУ. Таких пакетов для ПЭВМ и рабочих станций создано уже немало. Наиболее известные из них - Smart-CAM, CIM CAD, EUCLID, PEPS, DUCT, Спрут и другие. Часто они выпускаются как специализированные пакеты для конкретных видов механообработки или имеют набор специализированных модулей.

Несмотря на то что универсальные системы CAD/CAM предназначены для комплексной автоматизации проектирования и производства, по масштабу решаемых ими задач (в зависимости от их функциональных возможностей, набора входящих в них модулей и структурной организации) принято выделять три класса систем: низкого уровня, среднего и полномасштабные системы или системы масштаба предприятия.

Системы низкого уровня обычно имеют ограниченный набор модулей и кроме средств автоматизации чертежных работ включают в себя средства графического моделирования с Зх каркасной графикой (иногда с Зх твердотельной), модуль визуализации трехмерных тел, модуль генерации программ для оборудования с ЧПУ и некоторые другие модули. В них исключительно ограничены возможности параметрического проектирования и ассоциативных связей, как правило, отсутствуют модули управления данными проекта, функционального анализа и управления процессами конечной сборки изделия. Обычно базовые графические модули этих систем создаются фирмами-разработчиками, которые часто выступают и в роли интеграторов внедряемой комплексной автоматизированной системы. Модули для расширения возможностей системы на область инженерных задач и технологической подготовки производства обычно разрабатываются и поставляются третьими фирмами. В большинстве случаев системы

низкого уровня могут устанавливаться и работать на персональных IBM-совместимых компьютерах или недорогих рабочих станциях.

К системам этого класса можно отнести такие недорогие и популярные в нашей стране системы автоматизации, как AutoCAD, CADDY, а также отечественные - TopCAD, Компас, Спрут и аналогичные. Фирмы-производители стремятся постоянно наращивать функциональные возможности своих систем, приближая их к системам среднего уровня, а за счет приобретения продукции третьих фирм - и к полномасштабным системам.

Системы среднего уровня имеют более широкий набор модулей, разрабатываемых фирмой-собственником программного пакета. Системы этого класса обеспечивают более высокую функциональность при проектировании, используют средства геометрического моделирования с возможностями параметрического моделирования и ассоциативности, а некоторые включают наборы модулей управления проектными данными и механическими сборками. Технической базой для таких систем являются обычно рабочие станции с ОС UNIX или персональные компьютеры уровня графических рабочих станций. К подобным системам могут быть отнесены Cimatron, KONSYS 2000, Pro/JUNIOR, Microstation (выделяется более развитыми функциональными возможностями) и другие. В результате совершенствования и развития эти системы по своим возможностям приближаются к системам масштаба предприятия, а в некоторых случаях даже превосходят их по функциональности.

И, конечно же, наибольшими возможностями обладают полномасштабные системы CAD/CAM. Из них к числу наиболее распространенных в России относятся Pro/Engineer (компания РТС), Unigraphics (фирма EDS),