Указание последовательности выполнения технологических операций;

Основные этапы развития технологии разработки

Технологией программирования называют совокупность методов и средств, используемых в процессе разработки программного обеспечения. Как любая другая технология, технология программирования представляет собой набор технологических инструкций, включающих:

указание последовательности выполнения технологических операций;

перечисление условий, при которых выполняется та или иная опера-

ция; описания самих операций, где для каждой операции определены ис-

ходные данные, результаты, а также инструкции, нормативы, стандарты, критерии, методы оценки и т. п. (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура описания технологической операции

Кроме набора операций и их последовательности, технология также определяет способ описания проектируемой системы, точнее модели, используемой на конкретном этапе разработки.

Различают технологии, используемые на конкретных этапах разработки или для решения отдельных задач этих этапов, и технологии, охватывающие несколько этапов или весь процесс разработки. В основе первых, как правило, лежит ограниченно применимый метод, позволяющий решить конкретную задачу. В основе вторых – базовый метод или подход, определяющий совокупность методов, используемых на разных этапах разработки, или проектируемой системы, точнее модели, используемой на конкретном этапе разработки.

Чтобы разобраться в существующих технологиях программирования и определить основные тенденции их развития, целесообразно рассматривать эти технологии в историческом контексте, выделяя основные этапы развития программирования как науки.

1.1.1. Этап 1. «Стихийное» программирование

Этот этап охватывает период от момента появления первых вычислительных машин до середины 60-х гг. XX в. В это время практически отсутствовали технологии разработки программного обеспечения и программирование фактически было искусством. Первые программы имели простейшую структуру. Они состояли из собственно программы на машинном языке и обрабатываемых ею данных (рис. 1.2 ). Сложность программ в машинных кодах ограничивалась способностью программиста одновременно мысленно отслеживать последовательность выполняемых операций и местонахождение данных при программировании.

Рис. 1.2. Структура первых программ

Появление ассемблеров позволило вместо двоичных или шестнадцатеричных кодов использовать символические имена данных и мнемоники кодов операций. В результате программы стали более «читаемыми».

Создание языков программирования высокого уровня, таких как FORTRAN и ALGOL, существенно упростило программирование вычислений, снизив уровень детализации операций. Это, в свою очередь, позволило увеличить сложность программ.

Революционным было появление в языках средств, позволяющих оперировать подпрограммами. (Идея написания подпрограмм появилась гораздо раньше, но отсутствие средств поддержки в первых языковых средствах существенно снижало эффективность их применения.) Подпрограммы можно было сохранять и использовать в других программах. В результате были созданы огромные библиотеки расчетных и служебных подпрограмм, которые по мере надобности вызывались из разрабатываемой программы.

Типичная программа того времени состояла из основной программы, области глобальных данныхи набора подпрограмм (в основном библиотечных), выполняющих обработку всех данных или их части (рис. 1.3 ).

Подпрограммы

Рис. 1.3. Принцип работы программ с глобальной областью данных

Подпрограммы с локальными данными

Рис. 1.4. Принцип работы программы, использующей подпрограммы с локальными данными

Слабым местом такой архитектуры было то, что при увеличении количества подпрограмм возрастала вероятность искажения части глобальных данных какой-либо подпрограммой. Например, подпрограмма поиска корней уравнения на заданном интервале по методу деления отрезка пополам меняет величину интервала. Если при выходе из подпрограммы не предусмотреть восстановления первоначального интервала, то в глобальной области окажется неверное значение интервала. Чтобы сократить количество таких ошибок, было предложено в подпрограммах размещать локальные данные

(рис. 1.4 ).

Сложность разрабатываемого программного обеспечения при использовании подпрограмм с локальными данными по-прежнему ограничивалась возможностью программиста отслеживать процессы обработки данных, но уже на новом уровне. Однако появление средств поддержки подпрограмм позволило осуществлять разработку программного обеспечения нескольким программистам параллельно.

В начале 60-х гг. XX в. разразился «кризис программирования». Он выражался в том, что фирмы, взявшиеся за разработку сложного программного обеспечения такого, как операционные системы, срывали все сроки завершения проектов. Проект устаревал раньше, чем был готов к внедрению, увеличивалась его стоимость, и в результате многие проекты так никогда и не были завершены.

Объективно все это было вызвано несовершенством технологии программирования. Прежде всего, стихийно использовалась разработка «снизувверх» – подход, при котором вначале проектировали и реализовывали сравнительно простые подпрограммы, из которых затем пытались построить сложную программу. В отсутствии четких моделей описания подпрограмм и методов их проектирования создание каждой подпрограммы превращалось в непростую задачу, интерфейсы подпрограмм получались сложными, и при сборке программного продукта выявлялось большое количество ошибок согласования. Исправление таких ошибок, как правило, требовало серьезного изменения уже разработанных подпрограмм, что еще более осложняло ситуацию, так как при этом в программу часто вносились новые ошибки, которые также необходимо было исправлять... В конечном итоге процесс тестирования и отладки программ занимал более 80 % времени разработки, если вообще когда-нибудь заканчивался. На повестке дня самым серьезным образом стоял вопрос разработки технологии создания сложных программных продуктов, снижающей вероятность ошибок проектирования.

Анализ причин возникновения большинства ошибок позволил сформулировать новый подход к программированию, который был назван «структурным».

1.1.2. Этап 2. Структурный подход к программированию (60–70-е гг. ХХ в.)

Структурный подход к программированию представляет собой совокупность рекомендуемых технологических приемов, охватывающих выполнение всех этапов разработки программного обеспечения. В основе структурного подхода лежит декомпозиция (разбиение на части) сложных систем с целью последующей реализации в виде отдельных небольших подпрограмм. С появлением других принципов декомпозиции (объектного, логического и т. д.) данный способ получил название «процедурной декомпозиции».

В отличие от используемого ранее процедурного подхода к декомпозиции структурный подход требовал представления задачи в виде иерархии подзадач простейшей структуры. Проектирование, таким образом, осуществлялось «сверху-вниз» и подразумевало реализацию общей идеи, обеспечивая проработку интерфейсов подпрограмм. Одновременно вводились ограничения на конструкции алгоритмов, рекомендовались формальные модели их описания, а также специальный метод проектирования алгоритмов – метод пошаговой детализации.

Поддержка принципов структурного программирования была заложена в основу так называемых процедурных языков программирования. Как правило, они включали основные «структурные» операторы передачи управления, поддерживали вложение подпрограмм, локализацию и ограничение области «видимости» данных. Среди наиболее известных языков этой группы стоит назвать PL/1, ALGOL-68, Pascal, С.

Одновременно со структурным программированием появилось огромное количество языков, базирующихся на других концепциях, но большинство из них не выдержало конкуренции. Какие-то языки были просто забыты, идеи других были в дальнейшем использованы в следующих версиях развиваемых языков.

Дальнейший рост сложности и размеров разрабатываемого программного обеспечения потребовал развития структурирования данных. Как следствие этого в языках появляется возможность определения пользовательских типов данных. Одновременно усилилось стремление разграничить доступ к глобальным данным программы, чтобы уменьшить количество ошибок, возникающих при работе с глобальными данными. В результате появилась и начала развиваться технология модульного программирования.

Модульное программирование предполагает выделение групп подпрограмм, использующих одни и те же глобальные данные в отдельно компилируемые модули (библиотеки подпрограмм), например, модуль графических ресурсов, модуль подпрограмм вывода на принтер (рис. 1.5 ). Связи между модулями при использовании данной технологии осуществляются через специальный интерфейс, в то время как доступ к реализации модуля (телам подпрограмм и некоторым «внутренним» переменным) запрещен. Эту технологию поддерживают современные версии языков Pascal и С (C++), языки Ада и Modula.

Использование модульного программирования существенно упростило разработку программного обеспечения несколькими программистами. Теперь каждый из них мог разрабатывать свои модули независимо, обеспечивая взаимодействие модулей через специально оговоренные межмодульные интерфейсы. Кроме того, модули в дальнейшем без изменений можно было использовать в других разработках, что повысило производительность труда программистов.

Рис. 1.5. Модульная структура программ

Практика показала, что структурный подход в сочетании с модульным программированием позволяет получать достаточно надежные программы, размер которых не превышает 100 000 операторов. Узким местом модульного программирования является то, что ошибка в интерфейсе при вызове подпрограммы выявляется только при выполнении программы (из-за раздельной компиляции модулей обнаружить эти ошибки раньше невозможно). При увеличении размера программы обычно возрастает сложность межмодульных интерфейсов, и с некоторого момента предусмотреть взаимовлияние отдельных частей программы становится практически невозможно. Для разработки программного обеспечения большого объема было предложено использовать объектный подход.

Рассмотрим общий алгоритм проектирования операционной технологии.

В соответствии с характером решаемых задач и структурой критерия оптимальности проектирования синтез технологических операций расчленяется на четыре составные части (рис. 1). В первой определяются наиболее рациональные форма, припуски, допуски и межоперационные размеры изделия, поступившего на операцию, т. е. состояние .

Вторая часть алгоритмов связана с выбором элементов системы обработки поверхности изделия (модели оборудования, приспособления, основного, вспомогательного и измерительного инструментов) и пространственной компоновкой инструментальной наладки оборудования.

Рис. 1. Общий алгоритм проектирования операционной технологии

Алгоритмы третьей части осуществляют синтез временной структуры операции, т. е. уточняют состав переходов, определяют порядок их выполнения и характер совмещения во времени.

В четвертую часть входят алгоритмы определения параметров и технико-экономических характеристик операции.

Для простых операций ряд алгоритмов может отсутствовать. Например, в однопереходной операции алгоритм определения последовательности выполнения переходов опускается, а в некоторых операциях не нужны алгоритмы формирования инструментальных наладок и распределения переходов по позициям. Эти особенности учитываются при установлении структурного состава алгоритмов проектирования конкретных операций. Управляющим алгоритмом из общей схемы исключаются или добавляются те или иные алгоритмы в зависимости от назначения и целей, достигаемых в каждом конкретном случае.

Результатом автоматизированного проектирования является индивидуальный ТП, оформленный в виде маршрутной карты, в которой содержатся сведения о порядке выполнения операций и переходов, об оборудовании и оснастке, о режимах отдельных технологических операций и ряд других сведений, используемых для организации изготовления РЭА.

Итак, мы рассмотрели три уровня для автоматизированных систем проектирования ТП:

• проектирование принципиальной схемы;
• проектирование технологического маршрута;
• проектирование операционной технологии.

Процесс проектирования идет от уровня к уровню и на каждом уровне является итерационным с накоплением опыта, обобщением и корректировкой на каждом уровне (рис. 2).

Эти результаты можно использовать для разработки типовых, групповых алгоритмов и технологических процессов-аналогов.

Операцией "обобщение" накопленного опыта из числа ранее спроектированных ТП формируются типовые проектные решения, типовые и групповые алгоритмы. Улучшается значение эвристических критериев самоотбора, совершенствуются структура и параметры алгоритмов синтеза, анализа и оптимизации. Обобщение накопленного опыта проводится в режиме человеко-машинного проектирования с оперативным отображением процессов-аналогов на экраны дисплеев.

В результате обучения и самообучения алгоритмы синтеза проектных решений и эвристические критерии промежуточного самоотбора становятся более эффективными. Вместо генерирования большого числа возможных вариантов - целенаправленно, с учетом положительного прошлого опыта синтезируется меньшее количество наиболее перспективных проектных решений (вариантов). За счет улучшения значений эвристических критериев в процессе самообучения на каждой промежуточной стадии отбирается для дальнейшего проектирования меньшее, чем прежде, число наиболее рациональных вариантов.

Рис. 2. Модель автоматизированной системы проектирования с накопителем и обобщением опыта проектирования на каждом уровне

Следовательно, контур самообучения, работающий на основе использования опыта проектирования, позволяет повысить качество проектных решений и резко сократить затраты машинного времени.

В результате целенаправленного синтеза и промежуточного отбора на каждом уровне генерируются не все возможные варианты, а только наиболее перспективные. Они могут иметь недостатки, которые выявляются с помощью операций анализа и оценки, а затем устраняются алгоритмами оптимизации.

Аналогичное положение наблюдается при автоматизации проектирования ТП-аналогов.

В результате приходим к необходимости организации итерационной модели процесса проектирования, основной чертой которой является последовательное улучшение исходного варианта до требуемой степени совершенства.

На основании анализа конструкторско-технологической документации в процессе разработки алгоритмов проектирования создают фонд информации для автоматизированного проектирования ТП изготовления элементов РЭС; этот фонд дополняют в процессе функционирования САПР.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Что включает в себя операционная технология?
2. Что необходимо знать для построения операции?
3. Что включает в себя спроектированный с помощью ЭВМ маршрут?
4. Какие факторы оказывают влияние на построение операций?
5. Что входит в задачу формирования оптимальной операции?
6. Какие исходные данные используются при проектировании с помощью ЭВМ ТП?
7. Что является технологическими ограничениями, определяющими допустимые варианты ТП изготовления на предприятии?
8. Чем определяется структура технологической операции?
9. Как определяется число переходов в операции?
10. Назовите технологические ограничения, определяющие допустимые варианты ТП изготовления на предприятии.

Вопросы автоматизации синтеза технологических процессов долгие годы остаются в центре внимания исследователей и разработчиков компонентов САПРТП. Это вполне оправдано, так как именно синтез структуры является наиболее трудно формализуемым процессом при создании систем проектирования.

Надо отметить, что в части разработки методологии автоматизации синтеза маршрутных технологий имеются значительные результаты, позволяющие создавать вполне работоспособные компоненты САПР ТП. В настоящее время для синтеза маршрутов используются, в основном, общие технологии, построенные на основе элементарных маршрутов , продукционных списков или семантических сетей . Применение искусственных нейронных сетей позволяет создать общий процесс на принципах самообучения САПР ТП, что упрощает и удешевляет стадию адаптации системы к конкретным производственным условиям.

В разработке методики автоматизации синтеза операционных технологий успехи не так очевидны. В процессе синтеза операционной технологии участвует слишком много параметров, в том числе точностные и размерные параметры - размеры детали и заготовки, технологические и настроечные размеры, отклонения формы и расположения поверхностей, припуски и т.д.

Число возможных вариантов схем простановки размеров, как на чертежах детали и заготовки, так и на операционных эскизах так велико, что весьма сложно учесть на всех этапах обучения системы.

Это значительно усложняет работу специалиста, адаптирующего систему применительно к традициям и возможностям производственной среды конкретного предприятия. Так что приёмы, применяемые при синтезе маршрутов и оперирующие ограниченным числом параметров, здесь не очень эффективны, а в ряде случаев просто не применимы.

Критерием качества связанных размерных цепей синтезированной операционной технологии, как известно, является размерный анализ. Методы размерного анализа сейчас разработаны в достаточной для практического применения степени, хотя некоторые аспекты и требуют уточнения или развития.

Как следует из опыта размерного анализа технологии, достаточно сложно, практически невозможно, с первой попытки создать структуру процесса, отвечающую всем требованиям конструкторского документа и обеспечивающую положительные результаты размерного анализа.

В процессе синтеза операционной технологии необходимо уметь не только создавать единственный вариант структуры операции, но и модифицировать структуру по результатам размерного анализа. Механизм модификации (ресинтеза) структуры к настоящему времени практически не разработан.

Ещё одна проблема структурного синтеза технологической операции возникает при подготовке исходной информации. Очевидно, что большинство данных, связанных с геометрией детали и её параметрами, целесообразно получать из конструкторской системы проектирования. Это исключает субъективные ошибки, характерные для ввода больших объёмов данных, и не требует включать в технологическую САПР лингвистическое обеспечение для описания детали и средства его интерпретации, что обычно усложняет и удорожает программное обеспечение. Но большинство графических редакторов при создании двумерного чертежа оперирует примитивами типа отрезок, окружность, дуга и т.п., которые практически невозможно соотнести со структурными элементами операции и маршрута. Даже при наличии трёхмерной модели возникают значительные сложности.

Практически все графические системы представляют модель детали, модель заготовки и операционные эскизы в виде отдельных, не связанных между собой, графических объектов (чертежей, фрагментов или трёхмерных моделей). В связи с этим возникают непреодолимые трудности автоматического выявления размерных связей, на основе которых выполняет-

ся и синтез структуры технологического процесса, и его размерный анализ.

Таким образом, для создания методологии синтеза операционной технологии механической обработки деталей необходимо, как минимум, решить следующие задачи:

• разработать модель объекта проектирования, отвечающую требованиям синтеза технологии и размерного анализа;
• разработать процедуры синтеза структуры технологического процесса с использованием результатов размерного анализа;
• уточнить и дополнить методику размерного анализа технологического процесса.

Редактор технологических процессов РТП2000 допускает выполнять создание операционной технологии обычными средствами на основе опыта технолога или на основе применения технологий - аналогов. Однако это не самый эффективный способ, так как качество принимаемых проектных решений здесь в значительной степени определяется квалификацией исполнителя проекта.

Наилучшие результаты даёт методика использования общих операций, которая позволяет синтезировать операционные технологии в автоматическом режиме на основе предварительно разработанного информационного обеспечения, позволяющего получать близкие к оптимальным проектные решения.

Информационной основой автоматического синтеза технологий являются:

• библиотека элементов формы;
• библиотека типовых технологических операций.

Например, геометрия детали, созданная с использованием библиотеки элементов формы, позволяет обеспечить однозначное соответствие геометрии детали и технологических переходов, обеспечить автоматическое формирование операционных эскизов и размерный анализ. Система допускает преобразование чертежа детали, выполненного средствами обычного графического редактора, например Компас, во внутреннее представление на основе библиотеки элементов формы.

Библиотека типовых технологических операций (ТТО) разрабатывается применительно к условиям конкретного предприятия с учётом традиций проектирования операций. Операции ТТО могут использоваться в составе общих технологических процессов или индивидуально.

Операция библиотеки содержит упорядоченный набор переходов, каждый из которых связывается с одним или комплексом элементов формы детали.

В процессе применения ТТО - система проверяет наличие в составе детали соответствующего элемента формы. При его отсутствии переход не включается в единичную технологию. В противном случае порождается один или некоторое число переходов (по числу элементов формы).

Так из общего технологического процесса автоматически формируется состав переходов каждой операции. На следующем этапе выполняется процесс синтеза технологии на основе эволюционного подхода, который предполагает последовательное применение стадий маршрута с анализом размерных связей на предмет оценки возможности достижения заданных точностных и прочих параметров детали на каждой стадии. Эволюционный процесс завершается при достижении требуемых параметров детали.

На этом этапе основополагающую роль играет механизм размерного анализа. В связи с тем, что многообразие возможных геометрических форм детали не позволяет заранее предусмотреть все схемы простановки технологических размеров, размерные схемы генерируются с использованием генетического алгоритма. Он позволяет достаточно быстро найти приемлемые схемы операционных размеров для каждой операции, удовлетворяющие требованиям размерного анализа.

На заключительной стадии автоматически формируются операционные эскизы операций и чертёж заготовки.

Описание объектов проектирования

1. Структурная модель

Модель детали разрабатывается на основе требований, предъявляемых поставленной задачей:

• модель должна позволять удобно и просто описывать характерные для деталей машиностроения геометрические формы;
• модель должна быть удобна для выполнения импорта и экспорта изображения с использованием наиболее распространённых стандартов обмена графическими данными, например DXF или KSF;
• элементы модели должны обеспечивать однозначную связь с операциями и переходами технологического процесса;
• модель должна обеспечивать однозначную связь размеров детали, заготовки и операционных размеров;
• модель должна позволять автоматически выявлять размерные связи, выполнять размерный анализ и выполнять ресинтез технологического процесса.

В основу модели положены идеи, излагаемые в работе . Описание геометрии осуществляется с использованием библиотеки элементов формы (ЭФ), образующих наружный - главный контур детали, и вспомогательных элементов (ЭВ), накладываемых на ЭФ, с учётом типа детали.

Тип детали определяется на основе кинематического подхода и задается способом получения поверхности, образующей главный контур детали:

• деталь вращения (вал, втулка, диск и т.п.) образуется вращением образующей относительно главной оси детали;
• деталь вытягивания (планка, корпус, пластина и т.п.) образуется перемещением образующей относительно координатного направления.

Структура геометрии определяется типом детали (в силу ограниченного объёма в дальнейшем рассмотрим только детали вращения) и включает:

• объект (деталь, заготовка, операционный эскиз);
• координатное направление, задаваемое для каждого объекта плоскостью визуализации (число направлений произвольное, достаточное для описания детали).

Каждое координатное направление включает описание:

• главного контура;
• дополнительных контуров (число дополнительных контуров не ограничивается).

Признаком начала описания контура является система координат (СК).

В пределах каждого контура структура делится на разделы:

• раздел ЭФ (начинается с СК);
• раздел ЭВ;
• раздел координирующих размеров.

Каждый ЭФ содержит список параметров, необходимых для синтеза технологического процесса:

• квалитет;
• параметр шероховатости;
• значение параметра шероховатости;
• вид параметра отклонения формы;
• значение параметра отклонения формы;
• вид параметра отклонения расположения поверхности;
• значение параметра отклонения расположения поверхности;
• вид термообработки;
• толщина слоя термообработки;
• шкала твёрдости;
• значение твёрдости;
• вид покрытия;
• толщина покрытия;
• вид химико-термической обработки;
• толщина слоя химико-термической обработки;
• вид дополнительной обработки.

Вся деталь (включая системы координат дополнительных контуров) описывается в системе координат главного контура.

ЭФ в пределах раздела упорядочиваются (сортируются) по значению координаты привязки к началу контура (к началу системы координат). При сортировке определяется признак положения (слева, середина, справа). Признак записывается в ЭФ.

ВФ не сортируются (размещаются в порядке их записи), но связываются с ЭФ, на которых они образованы, двусторонней связью. Привязка ВФ осуществляется с учётом признака его положения - ближайшее или удаленное относительно начала СК. Признак положения позволяет ориентировать ЭВ. Удалённое положение привязывает ЭВ к правой стороне ЭФ с поворотом на 180. Для каждого ЭФ устанавливается перечень допустимых ЭВ.

ЭФ и ЭВ именуются оригинальными именами - идентификаторами, которые присваиваются каждому новому ЭФ автоматически с использованием генератора идентификаторов. Идентификатор представляется целым числом и используется для идентификации поверхностей, участвующих в размерном анализе.

Некоторые ЭФ является системными. Они определяются системой при создании основных ЭФ автоматически. Примером системного элемента является торец ступени.

Задача формирования оптимальных операций носит многовариантный характер, и область решений можно ограничить двумя предельными случаями: каждый переход соответствует однопереходной операции ; все переходы выполняются в одной операции .

Перед началом решения задачи общую совокупность переходов распределяют на подмножества при выполнении ограничений (см. таблицу 12.1). Каждый столбец соответствует маршруту обработки поверхности изделия. В случае отсутствия того или иного перехода ячейки массива не заполняют (ставят 0).

Двойными линиями в таблице показано возможное разделение общей совокупности переходов на подмножества . Общую совокупность переходов, входящих в множество и расположенных в некоторой фиксированной последовательности, обозначают числами , которые соответствуют (кроме ) промежуточным номерам переходов; - номер последнего перехода, равный общему количеству переходов в множестве .

Необходимо распределить имеющиеся переходы по операциям так, чтобы значение целевой функции (например, себестоимости выполнения операции ) конкретного варианта было минимальным.

Образование вариантов операций начинают с объединения в операцию максимального количества переходов. Такой подход позволяет резко сократить число анализируемых вариантов .

Для сужения области поиска оптимального варианта сочетаний используют критерий отбора , который позволяет исключить из рассмотрения часть вариантов.

На первом этапе отбора выявляют технологические возможные варианты с учетом ограничений, накладываемых на последовательность обработки, минимального количества переустановок и технологических возможностей оборудования.

На следующем этапе проектирования, когда вариант сформирован для конкретной модели станка, он проверяется на условие выполнения ограничений по точности обработки и шероховатости поверхности.

Если вариант выполнен, вычисляется соответствующая ему величина целевой функции. Расчет продолжается до тех пор, пока все переходы не будут распределены по операциям и не будет найдено значение целевой функции. Когда получат результаты расчетов по двум шагам (итерациям), их необходимо сравнить и выбрать лучший. Если последний вариант хуже предпоследнего, то на основании правила доминирования расчет прекращают.

В случае улучшения варианта расчет продолжают до получения оптимального. Тогда на месте худшего формируют новый вариант. Правило доминирования заключается в том, что дальнейшее уменьшение количества переходов в операции приводит к увеличению количества операций и росту затрат времени и технологической себестоимости обработки. Варианты формирования операций обработки по изложенной методике оценивают по приведенным затратам. Таким образом, если известен технологический маршрут обработки детали, то возможна его корректировка по составу и содержанию отдельных операций, а также по виду используемого оборудования.

12.3. Общий алгоритм проектирования операционной технологии

Рассмотрим общий алгоритм проектирования операционной технологии .

В соответствии с характером решаемых задач и структурой критерия оптимальности проектирования синтез технологических операций расчленяется на четыре составные части (рис. 12.1). В первой определяются наиболее рациональные форма, припуски, допуски и межоперационные размеры изделия, поступившего на операцию, т. е. состояние .

Вторая часть алгоритмов связана с выбором элементов системы обработки поверхности изделия (модели оборудования, приспособления, основного, вспомогательного и измерительного инструментов) и пространственной компоновкой инструментальной наладки оборудования.

Алгоритмы третьей части осуществляют синтез временной структуры операции , т. е. уточняют состав переходов, определяют порядок их выполнения и характер совмещения во времени.

В четвертую часть входят алгоритмы определения параметров и технико-экономических характеристик операции .

Для простых операций ряд алгоритмов может отсутствовать. Например, в однопереходной операции алгоритм определения последовательности выполнения переходов опускается, а в некоторых операциях не нужны алгоритмы формирования инструментальных наладок и распределения переходов по позициям. Эти особенности учитываются при установлении структурного состава алгоритмов проектирования конкретных операций. Управляющим алгоритмом из общей схемы исключаются или добавляются те или иные алгоритмы в зависимости от назначения и целей, достигаемых в каждом конкретном случае.

Результатом автоматизированного проектирования является индивидуальный ТП, оформленный в виде маршрутной карты, в которой содержатся сведения о порядке выполнения операций и переходов, об оборудовании и оснастке, о режимах отдельных технологических операций и ряд других сведений, используемых для организации изготовления РЭА.

Итак, мы рассмотрели три уровня для автоматизированных систем проектирования ТП:

• проектирование принципиальной схемы;
• проектирование технологического маршрута;
• проектирование операционной технологии .

Процесс проектирования идет от уровня к уровню и на каждом уровне является итерационным с накоплением опыта, обобщением и корректировкой на каждом уровне (рис. 12.2).

Эти результаты можно использовать для разработки типовых, групповых алгоритмов и технологических процессов-аналогов.

Операцией " обобщение " накопленного опыта из числа ранее спроектированных ТП формируются типовые проектные решения, типовые и групповые алгоритмы. Улучшается значение эвристических критериев самоотбора, совершенствуются структура и параметры алгоритмов синтеза, анализа и оптимизации. Обобщение накопленного опыта проводится в режиме человеко-машинного проектирования с оперативным отображением процессов-аналогов на экраны дисплеев.

В результате обучения и самообучения алгоритмы синтеза проектных решений и эвристические критерии промежуточного самоотбора становятся более эффективными. Вместо генерирования большого числа возможных вариантов - целенаправленно, с учетом положительного прошлого опыта синтезируется меньшее количество наиболее перспективных проектных решений (вариантов). За счет улучшения значений эвристических критериев в процессе самообучения на каждой промежуточной стадии отбирается для дальнейшего проектирования меньшее, чем прежде, число наиболее рациональных вариантов улучшение исходного варианта до требуемой степени совершенства.

На основании анализа конструкторско-технологической документации в процессе разработки алгоритмов проектирования создают фонд информации для автоматизированного проектирования ТП изготовления элементов РЭС; этот фонд дополняют в процессе функционирования САПР .

Контрольные вопросы и упражнения

1. Что включает в себя операционная технология?
2. Что необходимо знать для построения операции?
3. Что включает в себя спроектированный с помощью ЭВМ маршрут?
4. Какие факторы оказывают влияние на построение операций?
5. Что входит в задачу формирования оптимальной операции?
6. Какие исходные данные используются при проектировании с помощью ЭВМ ТП?
7. Что является технологическими ограничениями , определяющими допустимые варианты ТП изготовления на предприятии?
8. Чем определяется структура технологической операции?
9. Как определяется число переходов в операции?
10. Назовите технологические ограничения, определяющие допустимые варианты ТП изготовления на предприятии.

Техпроцесс изготовления концевой фрезы

Обоснование использования инструмента.

Например необходимо разработать конструкцию концевой фрезы для обработки паза, выполняющей две операции одновременно: прорезание паза на заданную глубину и снятие фаски на угол 45 .

Главные параметры фрезы, которые необходимо учитывать:

· Направление зубьев

· Конструкцию зубьев: острозаточенные / затылованные

· Материал зубьев Количество и размер зубьев (Для чернового фрезерования - фрезы с большим окружным шагом и малым количеством крупных зубьев. Для чистового фрезерования и фрезерования хрупких материалов - фрезы с малым окружным шагом и большим количеством мелких зубьев)

· Конструкцию фрез: цельные, составные(с припаянными режущими элементами) и сборные (с механическим креплением неперетачиваемых сменных многогранных пластин)

· Способ установки на шпинделе станка: насадные (с отверстием) / концевые (с хвостовиком)

Конструкция . Несмотря на то, что инженера-конструкторы предлагают сотни разных типов и разновидностей фрез, все они имеют ряд общих элементов (см. рисунок).

Устройство концевых фрез.

(на примере фрезы для скруглений и прямой пазовой фрезы)

Режущие кромки. Фреза может иметь одну, две или более режущих кромок. Фрезы с единственной режущей кромкой используются в случаях, когда требуется высокая производительность, по отношению к которой чистота поверхности занимает второстепенное значение. Большинство же фрез имеет две режущие кромки и более, что обеспечивает своего рода баланс между качеством реза и производительностью.

Режущие кромки фрезы могут быть выполнены из быстрорежущей стали (что сокращенно обозначается как HSS) либо из твердого сплава (TCT). Последние, как правило, стоят несколько дороже.

Для обеспечения возможности погружения фрезы в материал в произвольном месте заготовки фреза должна иметь концевые режущие кромки (как пазовая фреза, показанная на рисунке).

Хвостовик фрезы характеризуется диаметром и длиной. Очевидно, что диаметр хвостовика должен соответствовать диаметру цанги фрезера. Продаваемые на территории России фрезеры, как правило, имеют в комплекте цанги диаметром 8 и 12 мм либо только 8 мм (характерно для моделей небольшой мощности). Цанги указанных размерностей являются стандартом в странах Европы. Инструменты, предназначенные для американского рынка, рассчитаны на использование фрез с хвостовиками дюймовых размерностей ¼” (6,35 мм) и ½“ (12,7 мм). Впрочем, многие производители, как европейские, так и американские, предлагают к своим фрезерам дополнительные цанги дюймовой или, наоборот, метрической размерности.

Также хвостовик может быть коническим, как называют Конус Морзе. Под него есть коническое отверстие соответствующего размера (гнездо) в шпинделе или задней бабке станка. Предназначено для быстрой смены инструмента с высокой точностью центрирования и надёжностью.

При разработке новых конструкций фрез выполняют следующие основные требования.

Число зубьев должно быть по возможности большим, так как от него пропорционально зависит минутная подача, т. е. производительность обработки.

Вместе с тем зубья должны быть достаточно прочными, а расстояние между ними, форма и шероховатость поверхности стружечных канавок должны обеспечивать надежное размещение и отвод стружки (последнее особенно важно для концевых фрез, обрабатывающих глубокие пазы). В некоторых случаях, например при образовании сплошной сливной стружки, у концевых фрез переднюю поверхность зубьев делают ступенчатой для дробления стружки.

Выбор оборудования

Задача раздела - выбрать для каждой операции ТП такое оборудование, приспособление, которые бы обеспечили выпуск деталей задан­ного качества и количества с минимальными затратами.

При выборе типа и модели металлорежущих станков будем ру­ководствоваться следующими правилами:

1) Производительность, точность, габариты, мощность станка должны быть минимальными достаточными для того, чтобы обес­печить выполнение требований предъявленных к операции.

2) Станок должен обеспечить максимальную концентрацию пере­ходов на операции в целях уменьшения числа операций, количества оборудования, повышения производительности и точности за счет уменьшения числа перестановок заготовки.

3) Оборудование должно отвечать требованиям безопасности, эр­гономики и экологии.

Если для какой-то операции этим требованиям удовлетворяет не­сколько моделей станков, то для окончательного выбора будем проводить сравнительный экономический анализ. Выбор оборудования проводим в следующей последовательности:

1) Исходя из формы обрабатываемой поверхности и метода обработки, выбираем группу станков.

2) Исходя из положения обрабатываемой поверхности, выбираем тип станка.

3) Исходя из габаритных размеров заготовки, размеров обработанных поверхностей и точности обработки выбираем типоразмер (модель) станка. Данные по выбору оборудования заносим в таблицу 5.1.

Таблица 5.1

Выбор технологического оборудования

Пример фрезерования трубы картера новой фрезой

Время обработки

Для определения времени обработки необходимо определить режимы резания. Режимы резания назначим такие же как при базовом варианте обработки трубы картера двумя видами инструментов, а именно:

Подача при врезании фрезы:

Sв= 100 мм/мин

Подача при продольном фрезеровании паза трубы:

Sп= 200 мм/мин

Ускоренная подача подводе/отводе фрезы:

Sу= 5000 мм/мин

Тогда машинное время обработки найдем по формуле:

ТМ= Lв / Sв + Lп / Sв + Lу / Sу, где:

Lв – длина хода при врезании фрезы, 10мм

Lп – длина хода фрезы при поперечном движении, 205мм (по чертежу)

Lу – длины хода при ускоренных движениях фрезы во время подвода к заготовке и отвода, 400мм.

Машинное время равно:

ТМ= 10/100 + 205/200 + 400/5000 = 1,185 мин

Штучное время для данной операции найдём по формуле:

Тшт=Тв+Тм

ТВ – вспомогательное время, примем такое как в базовом варианте (по результатам практики),

Тв=0,57 мин

Отсюда штучное время на операцию составит:

Тшт=0,57+1,185=1,755 мин

Так как за одну операцию обрабатывается сразу 2 заготовки, то штучное время в пересчете на 1 заготовку составит:

Тшт1 = Тшт/2

Тшт1 = 1,755/2 = 0,878 мин

Последовательность разработки (алгоритм проектирования) технологического процесса.

1. Изучение технического задания и выбор вида и организационной формы производственного процесса.

2. Выбор финишных методов обработки, окончательно формирующих качество инструмента по каждой из поверхностей.

3. Выбор заготовки, наиболее полно удовлетворяющей экономичному изготовлению инструмента в заданных или выбранных условиях производства.

4. Сравнение формы, размеров и качества заготовки с готовым инструментом и определение характера промежуточных видов обработки: точение, фрезерование, сверление и т.д.

5. Разработка технологического маршрута, т.е. последовательности всех видов обработки по переходам.

6. Выбор технологических баз. Требования к ним такие же, как и в общем машиностроении: стремление к единству конструкторских, технологических и измерительных баз, а также к их постоянству, т.е. к неизменности при выполнении различных технологических операций. Выбор первичных черновых баз, позволяющих правильно ориентировать заготовку для обработки с требуемой точностью основных технологических баз.

7. Выбор технологического оборудования и оснастки.

8. Разработка маршрутной технологии.

9. Разработка операционной технологии для условий серийного и массового производства:

§ а) расчет операционных припусков и допусков;

§ б) определение размеров и формы заготовки;

§ в) нормирование технологических операций.

10. Сравнение экономической эффективности нескольких вариантов техпроцесса и выбор оптимального.

11. Окончательная доработка выбранного варианта технологии. Разработка подробных операционных карт механической, термической, химико-термической обработки, сварки, напайки и т.д., а также карт технического контроля.