Автоматизированное Проектирование Станков По Металлу

Процесс проектирования можно рассматривать как совокупность процедур переработки информации, в результате чего возникает конечный продукт этого процесса в виде проекта технического объекта, это могут быть, металлорежущие станки, промышленные роботы, автоматические линии и т. п. Таким образом, проект - это информационный аналог реального технического объекта.

Технический объект представляет собой систему, состоящую из элементов и характеризующуюся собственной структурой и параметрами. Например, такая система, как станок, состоит из элементов (узлов), которые, в свою очередь, можно рассматривать как системы, элементами которых являются детали и т. д.

Структура системы - это совокупность элементов, из которых она состоит, и их связи между собой. Два шпинделя токарного станка, один - на опорах качения, другой - на гидростатических подшипниках, представляют собой системы различной структуры. Также различную структуру будут иметь шпиндели, если применить подшипники качения, но смонтировать их по различным схемам. В первом случае различия порождаются различием природы элементов (гидростатические опоры и опоры качения), во втором - различием связей между элементами. В машиностроении результатом синтеза структуры обычно является эскизный проект системы.

Параметры системы - это некоторые характеристические величины, определенные значения которых выделяют данный объект из совокупности ему подобных. Так, диаметр шпинделя, расстояние между его опорами, конус на переднем конце и т. п. - параметры системы «шпиндельный узел».

Автоматизация при выполнении проектно-конструкторских работ подразумевает такой способ проектирования, при котором все проектно-конструкторские операции и процедуры или их часть осуществляются при взаимодействии человека и компьютера. Граница между неавтоматизированным и автоматизированным проектированием подвижна; она изменяется по мере развития средств вычислительной техники (СВТ) и программного обеспечения (ПО), а также теории проектирования. Развитие современного машиностроения предъявляет растущие требования к темпам обновления машин, повышению их качества и конкурентоспособности, сокращению сроков проектирования и освоения. Эти задачи требуют высокого уровня технической подготовки производства и, в частности, повышения уровня автоматизации проектно-конструкторских работ.

В настоящее время произошло внедрение средств вычислительной техники и программного обеспечения на различных этапах проектирования и освоения металлорежущих станков, а именно:

• предпроектной подготовки (изучение потребительского спроса, результатов работы оборудования у потребителей, НИР, моделирование;
• инженерных расчетов;
• разработки и корректировки графической документации (черхөжей деталей, электросхем, печатных плат, гидрооборудования);
• разработки, выпуска и корректировки текстовой документации (спецификаций, ведомостей, описаний);
• контроля и испытаний оборудования.

Как правило, автоматизированное проектирование происходит в режиме диалога между конструктором и компьютеров. При этом повышение производительности происходит за счет освобождения человека от рутинных работ. Вся творческая деятельность остается за конструктором; при этом требования к его квалификации не снижаются. Напротив, общий уровень его профессиональной подготовки должен быть повышен за счет овладения необходимым программном обеспечением, используемом при проектировании.

Для успешного внедрения автоматизации в процесс проектирования в каждой организации необходимо обеспечение комплекса мероприятий, основными из которых являются:

• техническое обеспечение средствами вычислительной техники;
• программно-математическое обеспечение;
• организационное обеспечение, т.е. решение вопросов кадров, предоставления помещений, а также взаимодействия с другими подсистемами технической подготовки производства.

В настоящее время в мире функционирует большое количество систем автоматизированного проектирования (САПР) изделий машиностроительного производства. Основными свойствами современных САПР являются:

• организация процесса проектирования в режиме диалога человека с компьютером;
• модульность построения;
• открытость для расширения;
• построение на единой интегрированной базе данных (БД);
• возможность функционирования при любом уровне заполнения базы данных;
• возможность связи с другими подсистемами технической подготовки производства;
• ориентация на пользователя - не программиста.

При использовании САПР производительность труда конструкторов повышается в несколько раз (при одновременном повышении качества конструкторской документации).

Развитие автоматизированного проектирования происходит под влиянием двух факторов. С одной стороны, это связано с бурным развитием вычислительной техники, с другой - с лучшим пониманием процесса проектирования и места вычислительных машин в этом процессе. Сегодня общепринятой является точка зрения, что термин «автоматизированное проектирование» применим только к системам автоматизированного проектирования, которые характеризуются совокупностью следующих основных принципов.

• Постоянное взаимодействие человека и компьютера в процессе проектирования, осуществляемое с помощью диалоговых средств. Это предполагает разделение функций между человеком и компьютером: человек решает задачи, не поддающиеся формализации, а также задачи, которые он решает более эффективно, чем компьютер.
• Реализация комплексного подхода к автоматизации уровней проектирования. Если этот принцип не соблюдается, эффективность автоматизации проектирования резко снижается или может отсутствовать вовсе. Неавтоматизированное проектирование плохо сочетается с автоматизированным, сводя на нет его преимущества. Этот принцип также требует устранения традиционной границы между проектированием конструкции и разработкой технологии изготовления. Система автоматизированного проектирования конструкции и технологического процесса ее изготовления должна быть единой.
• Возможность совершенствования системы автоматизированного проектирования. Это необходимо, так как ввод системы в эксплуатацию часто осуществляется по частям из-за высокой стоимости и длительных сроков разработки. Введение в действие последующих частей не должно требовать переработки ранее введенных компонентов. Совершенствование системы связано с развитием вычислительной техники, математического обеспечения и проектируемых объектов.
• Информационная согласованность всех частей автоматизированной системы. Это означает отсутствие необходимости вмешательства человека в переработку информационных массивов при переходе от решения одной задачи к другой.

Еще раз отметим, что только совокупность всех перечисленных принципов определяет автоматизированную систему проектирования.

Система автоматизированного проектирования строится на базе технических средств с соответствующим информационным и программным обеспечением. Технические средства включают одну или несколько вычислительных машин, образующих центральный вычислительный комплекс, а также автоматизированные рабочие места (АРМ), представляющие собой комплект периферийных устройств для связи человека и компьютера. Фиксация выработанных решений в виде документации происходит с помощью чертежных автоматов и печатающих устройств.

В состав автоматизированного рабочего места входит также мини-компьютеры управляющие работой дисплеев и используемая для решения относительно простых задач. Взаимодействие автоматизированных рабочих мест с центральным вычислительным комплексом осуществляется в режиме разделения времени, так что один комплекс может включать от 10 до 15 рабочих мест и более.

Таким образом, система автоматизированного проектирования является системой коллективного пользования, где каждое рабочее место специализируется в зависимости от решаемых задач.

Например, рабочее место инженера-конструктора должно иметь мощные средства графической обработки информации, что называется машинной графикой. Применение таких средств облегчает создание конструкторской документации и уменьшает количество ошибок. Современные системы машинной графики позволяют синтезировать на экране дисплея чертежи сборочных единиц и деталей, вносить в них изменения, получать разрезы, сечения, изометрические изображения и выполнять операции дублирования частей чертежа, симметричного отражения, изменения масштаба и т. д.

При необходимости документирования чертежа его копия может быть получена с экрана дисплея или воспроизведена с помощью устройства печати. Современные средства машинной графики позволяют конструктору полностью отказаться от традиционных чертежных приборов.

Информационное обеспечение автоматизированной системы проектирования включает разнообразные справочные данные и результаты проектирования, которые могут быть использованы на последующих этапах или в других проектах. К числу справочных данных относятся массивы, содержащие параметры стандартизованных и унифицированных изделий (крепежные детали, профили проката, подшипники и т. п.), сведения из ГОСТов и других стандартов, а также закодированные чертежи типовых изделий.

Совокупность всех информационных массивов системы образует базу данных. База данных вместе с программным обеспечением, реализующим управление ею, образует банк данных, который обеспечивает хранение и выдачу информации по запросам пользователей или в соответствии с командами прикладных программ.

Программное обеспечение систем автоматизированного проектирования состоит из операционной системы и прикладных программ. Операционная система организует процесс ввода-вывода и управление данными, подготавливает и отлаживает программы, выполняет вспомогательные операции и, с точки зрения пользователя, является продолжением аппаратных средств.

Прикладные программы, являющиеся частью специального программного обеспечения, отражают специфику решаемых задач и включают инструкции по их использованию и языки общения человека с компьютером. Характеристики и возможности прикладных программ определяют качество системы автоматизированного проектирования, а их разработка является самым трудоемким этапом создания такой системы.

В последние годы наиболее распространенными средствами вычислительной техники в сфере автоматизации проектирования стали персональные компьютеры. Процесс оснащения ими конструкторских бюро в настоящее время носит повсеместный характер. Современные компьютеры отличаются высокими техническими характеристиками и надежностью, низкой стоимостью, простотой эксплуатации, малыми габаритами.

Программное обеспечение компьютеров имеет широкий набор вспомогательных средств, облегчающих их использование, что особенно важно для пользователя - не программиста, каковыми и являются конструкторы.

Для автоматизация расчетно-конструкторских работ в станкостроении используется достаточно большое количество программ. Мы рассмотрим одни из первых, которые стали применять в отечественном станкостроении. Отметим комплексы программ для автономного расчета на прочность деталей общемашиностроительного назначения разработки ЭНИМС и программ геометрического расчета зубчатых и червячных передач разработки ОКБС, последние версии которых были ориентированы на ПЭВМ.

Для разработки графической документации (чертежей, схем) использовали две группы CAПP - универсальные и специализированные. Универсальные САПР являлись системами общего назначения работали в интерактивном режиме по принципу “электронного кульмана”. Специализированные САПР были ориентированы на определенную группу изделий (например, деталей типа тел вращения). Проектирование чертежей с помощью специализированных САПР происходило, как правило, быстрее, чем с помощью универсальных САПР; однако область применения каждой специализированной подсистемы было гораздо уже по сравнению с универсальными.

Универсальные САПР были построены, как правило, по одинаковому принципу и отличались только своими возможностями. Достижением систем прошлых лет были следующие возможности:

• ввод геометрической информации с помощью “меню” команд, с использованием клавиатура или манипулятора типа “мышь”;
• ввод графических примитивов (отрезков, дуг и т.д.) в текстовой информации;
• простота ввода составных графических объектов и элементов чертежа;
• размещение отдельных видов и технических требований на поле чертежа;
• редактирование чертежа посредством сдвига, поворота, масштабирования, удаления, симметричного отображения, копирования и др. операций;
• работа в режиме “окна”;
• создание пользователем библиотек типовых элементов и установка этих элементов требуемого размера в указанное место;
• создание архива чертежей;
• чтение и запись фрагментов чертежа в файл;
• вычерчивание чертежа на графопостроителе.

Лист чертежа является самой крупной именованной единицей в системе и имеет иерархическую структуру. Он состоит из видов, технических требований и штампа. Положение каждого вида на поле чертежа определяется точкой привязки. Оно задается при создании нового вида и может быть откорректировано в режиме “компоновки”. Вид чертежа, в свою очередь, состоит из объектов простых и составных (совокупности нескольких примитивов). Аналогична структура технических требований и других надписей на чертеже.

Создание чертежа с помощью универсальных САПР обычно происходило в режиме диалога и осуществлялось в следующем порядке:

• Просмотр архива чертежей с целью поиска аналога, на базе которого с минимальными затратами времени можно создать требуемый чөртеж. В случае удачи аналог копируется, переименовывается и редактируется.
• При отсутствии аналога - назначение имени и атрибутов нового чертежа.
• Последовательное создание новых видов из графических текстовых примитивов, а также имеющихся в библиотеке типовых элементов и объектов. Простановка размеров и других параметров данного вида.
• Ввод технических требований и текста штампа.
• Размещение видов технических требований на поле чертежа.
• Просмотр и редактирование чертежа.
• Запись чөртөжа в файл.
• Вычерчивание на графопостроителе.

Одной из самых распространенных зарубежных универсальных САПР для графического проектирования, ставшей практически международным стандартом, является разработанная фирмой Автодеск система “Автокад”. В ее первых рекламных материалах указывалось, что система “может отобразить все, что человек делает вручную”. САПР была применима на различных моделях ЭВМ с различной конфигурацией периферийных средств. Она имела ряд версий с различными возможностями, обеспечивала трехмерную графику.

Специализированные САПР были ориентированы на определенные группы изделий. Процесс создания чертежей (и часто сопроводительной документации) в таких системах был настолько формализован, что конструктору достаточно было ввести лишь ограниченное количество исходных данных; при этом в результате работы САПР получается готовая рабочая документация.

Примером специализированной САПР является подсистема автоматизированного проектирования деталей типа тел вращения, разработанная ленинградским ОКБС. В основу построения системы был положен метод синтеза деталей из определенного набора конструктивно-технологических элементов. Конструктор задавал в диалоговом режиме минимум исходных данных. Имелись средства - диагностики исходных данных и корректировка; работала система “подсказок”. Все параметры детали, которые содержались в стандартах или могли быть получены логически из конструктивных соображений, определялись автоматически. Были автоматизированы следующие основные процедуры:

• назначение шероховатостей поверхностей, а также отклонения от формы и расположения;
• выбор диаметральных баз;
• определение параметров переходных элементов: фасок, радиусов канавок для выхода инструментов;
• определение состава проекций, разрезов, сечений, выносных элементов, их масштаба и положения на чертеже;
• введение разрезов;
• утрирование изображения детали;
• проставление размеров;
• определение формата чертежа.

Система была построена по модульному принципу в открыта для расширения. Помимо получения рабочего чертежа САПР обеспечивала формирование полной информационной модели детали для стыковки с подсистемами автоматизированной разработки технологии и управляющей программы для изготовления на станке с ЧПУ.

В отечественном станкостроении использовались специализированные подсистемы разработки электрооборудования и гидрооборудования, разработанные ЭНИМС, подсистема упаковки крупногабаритных изделий, CAПP зубчатых передач, разработанная ОКБС и другие.

Техническое решение всегда реализуется для достижения определенных целей. На пути к этим целям, как правило, имеются ограничения. Обычно цели и ограничения формулируются достаточно строго. Например: создать гидроцилиндр, развивающий усилие в 5000 Н и имеющий наружный диаметр не более 200 мм. Решение, которое обеспечивает достижение цели и удовлетворяет ограничениям, является допустимым. Нахождение хотя бы одного допустимого решения и есть основная задача конструктора.

Если ограничения не слишком жесткие, то можно обычно найти несколько допустимых решений и из них выбрать оптимальное. Различные допустимые варианты технического решения создают за счет варьирования структуры и параметров объекта. Выбор оптимального варианта возможен в том случае, если есть количественная мера оценки вариантов. Такой мерой могут служить проектные критерии - характеристики качества работы объекта. Выраженные количественно через значения параметров технического объекта, их называют целевыми функциями; они служат основой для выбора оптимального варианта. Например, применительно к шпиндельному узлу, величина жесткости на переднем конце шпинделя, представленная в виде зависимости от параметров узла, может выступать в качестве целевой функции. Автоматизация процесса проектирования технического объекта предполагает определение структуры и параметров элементов и всего объекта в целом в условиях систематического применения компьютера, что позволяет получить вариант проекта, близкий к оптимальному.

Возвращаясь к упомянутым выше процедурам переработки информации в процессе проектирования, отметим, что их можно разделить на две группы: формальные и неформальные процедуры. К первым (они могут быть полностью переданы компьютеру) условимся относить такие, при которых переработка информации поддается алгоритмизации, т. е. производится по правилам, задающим строго определенную последовательность операций, приводящих к искомому результату. Ко вторым относятся все остальные процедуры.

Рассматривая любой проект и процесс его создания, легко увидеть, что формальные процедуры занимают большую часть общей его трудоемкости. Например, при проектировании металлорежущего станка, согласно действующим нормам Минстанкопрома, на выполнение конструкторских работ трудоемкость формальных процедур (сбор информации, различные расчеты, разработка рабочей конструкторской документации) составляет около 60% общей трудоемкости проекта.

Следует отметить, что, несмотря на существенную долю в общем объеме работ, эти процедуры не определяют основные качественные характеристики технического объекта, т. е. его проектные критерии, хотя и улучшают проект, главным образом, за счет существенного уменьшения ошибок. Большой объем формальных процедур при проектировании является первой объективной предпосылкой автоматизации процесса проектирования, хотя в силу неопределяющего, в смысле качества объекта, характера этих процедур указанная предпосылка сама по себе недостаточна для того, чтобы ожидать существенного эффекта от автоматизации проектирования. Действительно, резкое повышение качества проекта (кратное сокращение сроков проектирования, получение изделия, превосходящего уровень лучших имеющихся образцов, существенное сокращение сроков отладки опытной партии и т. п.) с помощью автоматизации только формальных процедур принципиально недостижимо. Подобные результаты могут быть получены лишь при построении автоматизированной системы проектирования, включающей как формальные, так и неформальные процедуры. Автоматизация последних при этом подразумевает диалог проектировщика и компьютера, в результате которого находится оптимальное техническое решение. Возможность нахождения такого решения является второй, очень важной предпосылкой автоматизации процесса проектирования, так как только применение компьютера позволяет сравнить различные варианты решения на основе количественной оценки их качества.

Проектирование таких сложных технических систем, как станки, всегда ведется в условиях, когда и объект проектирования, и сам процесс проектирования расчленяются на иерархические уровни. Такими уровнями применительно к объекту являются агрегаты, узлы, детали и т. п. Уровнями процесса проектирования являются его стадии: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, рабочий проект. Указанные условия определяют такую специфику проектирования, когда на каждом уровне ведется работа по синтезу системы, элементы которой полностью не определены. Например, компоновки металлообрабатывающих станков должны быть выбраны до того, как конструктивно разработаны его узлы.

Аналогичное положение имеет место на всех уровнях проектирования. Это приводит к тому, что при подробной разработке элементов, как правило, возникает возможность улучшения системы. Однако эта возможность чаще всего не используется из-за большого объема изменений проекта. Автоматизация проектирования позволяет вносить изменения в проект практически на любой стадии и без ограничения их объема. Это обстоятельство является третьей объективной предпосылкой автоматизации процесса проектирования. Наконец, в качестве четвертой предпосылки можно отметить тот факт, что хранение, переработка и использование огромного количества справочной информации, которая при проектировании необходима конструктору, наилучшим образом могут быть организованы с помощью компьютера.