Информационные технологии

Курс лекций по дисциплине «Информационные технологии» Лекция № 1 1. Информационные технологии в современном производстве. 2. Понятие о CALS-технологии. 3. Структура САПР. Функции, характеристики и примеры САПР. 4. Понятие инженерного проектирования. Современные условия конкуренцией на наукоемкости продукции, характеризуются международном что рынке, ставит все более повышением перед жесткой сложности и промышленниками и предпринимателями страны новые проблемы. К их числу относятся: - критичность времени, требующегося для создания изделия и организации его продажи; - снижение всех видов затрат, связанных с созданием и сопровождением изделия; - повышение качества процессов проектирования и производства; - обеспечение гибкого и надежного эксплуатационного обслуживания. Действенным средством решения этих проблем в последнее десятилетие выступают новые информационные CALS-технологии сквозной поддержки сложной наукоемкой продукции на всех этапах ее жизненного цикла (ЖЦ) от стандартизованном маркетинга едином до утилизации. электронном Базирующиеся представлении данных на и коллективном доступе к ним, эти технологии позволяют существенно упростить выполнение этапов ЖЦ продукта и повысить производительность труда, согласно западному опыту, примерно на 30%, автоматически обеспечить заданное качество продукции. За рубежом работы по созданию и внедрению CALS-технологий ведутся более 25 лет. В этом направлении достигнуты существенные результаты. CALS-технологии в настоящее время рассматриваются как выгодная глобальная экономическая стратегия во всех отраслях промышленности. Работы ведутся во всех ведущих индустриальных странах, создаются международные кооперации производителей сходных видов продукции, объединяющие поставщиков, производителей и потребителей продукции. Впервые элементы CALS-технологий начали применяться в середине 80х годов при взаимодействии Министерства обороны США со своими поставщиками, когда была поставлена задача перевести все операции с ними в электронный вид. Впоследствии сфера применения CALS-технологий расширилась до всего жизненного цикла изделия и вышла за пределы военных ведомств. Несмотря на это, наиболее передовыми пользователями CALS-технологии все же являются военные разработчики. В области гражданского внедрения CALS-технологий в мире и в России лидируют аэрокосмическая и атомная промышленности, автомобиле- и судостроение. В России подобные работы начались в середине 90-х годов, в авиастроении, судостроении, оборонной промышленности реализуются пилотные проекты по внедрению CALS-технологий. В нашей стране среди пионеров внедрения CALS — АВПК «Сухой», ОАО «Туполев», Конструкторское бюро приборостроения (Тула), Воронежский механический завод. Эти проекты поддерживаются Минпромнауки РФ, Минатомом РФ. Тем не менее, для нормального внедрения CALS в России необходимы переподготовка специалистов предприятий, подготовка специалистов в вузах и т. п. В настоящее время CALS-технологии в России рассматриваются, как важный инструмент судостроения, реструктуризации авиастроения и других оборонной отраслей, промышленности, коренным образом упрощающий внутреннюю и международную промышленную кооперацию, повышающий привлекательность и конкурентоспособность промышленных изделий, обеспечивающий качество продукции, ускорение взаиморасчетов поставщиков и потребителей, совершенствование организации управления на конверсируемых и реформируемых предприятиях. В условиях постоянного и значительного усложнения инженернотехнических проектов, программ разработки новой продукции и роста наукоемкости изделий конкурентоспособными окажутся предприятия, достигшие совершенства в управлении бизнесом, обладающие отлаженными процессами проектирования, производства, поставки и поддержки продукта, ориентированные на функционирование в условиях быстроменяющейся экономической ситуации и способные мгновенно реагировать на возникающие новые запросы рынка. Такая цель не может быть достигнута частными, постепенными изменениями традиционных методов работы и точечным внедрением средств автоматизации. Предприятия должны провести кардинальное реформирование в сфере управления, опираясь на высокотехнологичные, положительно зарекомендовавшие себя стратегии организации современного бизнеса. Такой стратегией, принятой в настоящее время в качестве международного стандарта, является CALS. CALS (Сontinuous Acquisition and Life Cycle Support) - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия или продукта. Это стратегия повышения эффективности, производительности и рентабельности процессов хозяйственной деятельности предприятий за счет внедрения современных методов информационного взаимодействия участников ЖЦ продукта. Жизненный цикл продукта, как его определяет стандарт ISO 9004-1, — это совокупность потребностей процессов, общества в выполняемых определенной от момента продукции до выявления момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта. Основные стадии жизненного цикла показаны далее на рисунках. Процесс - это структурированный набор функций, охватывающий различные сущности и завершающийся глобальной целью (определение по ISO/CD 15531-1). По определению, приведенному в стандарте ISO 8402:1994, процесс - это совокупность взаимосвязанных ресурсов и деятельности, которая преобразует входящие элементы в выходящие. Ресурсами являются персонал, средства обслуживания, оборудование, технология, методология. ЖЦ продукта присуще большое разнообразие процессов. Наиболее известные: производственный процесс, процесс проектирования, процесс закупок. Каждый из этих процессов, в свою очередь, состоит из технологических процессов и организационно-деловых процессов. Под технологическим процессом понимается часть производственного (или другого процесса), содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) последующему определению состояния предмета труда. Под организационно-деловыми процессами понимаются процессы, связанные с взаимодействием людей (подразделений, организаций). Все процессы ЖЦ взаимосвязаны. Основой CALS является использование комплекса единых информационных моделей, стандартизация способов доступа к информации и ее корректной интерпретации, обеспечение безопасности информации, юридические вопросы совместного использования информации (в том числе интеллектуальной собственности), использование на различных этапах ЖЦ автоматизированных программных систем (CAD/CAM/CAE, MRP/ERP, PDM и др.), позволяющих производить и обмениваться информацией. Информационное взаимодействие субъектов, участвующих в поддержке ЖЦ, должно осуществляться в едином информационном пространстве (ЕИП). ЕИП создается с помощью программно-аппаратных средств, уже имеющихся у участников ЖЦ. В условиях отечественного производства лучше организовывать ЕИП в два этапа: I этап — автоматизация отдельных процессов ЖЦ изделия и представление данных на них в электронном виде; II этап — интеграция автоматизированных процессов и относящихся к ним данных. САПР. К настоящему времени создано большое число программно-методических комплексов для САПР с различными степенью специализации и прикладной ориентацией. Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем (рис. 1.1). Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие. Рис 1.1. Структура программного обеспечения САПР Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах. Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными (PDM — Product Data Management), управления процессом проектирования (DPM — Design Process Management), пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ, CASE (Computer Aided Software Engineering) для разработки и сопровождения программного обеспечения САПР, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР. Разновидности САПР. Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например, по приложению, целевому назначении, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы — ядра САПР. По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР. 1. САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или MCAD (Mechanical CAD) системами. 2. САПР для радиоэлектроники. Их названия — ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation) системы. 3. САПР в области архитектуры и строительства. По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты проектирования: - CAD (Computer Aided Design) – системы автоматизированного конструирования; - CAM (Computer Aided Manufacturing) – автоматизированные системы подготовки производства; - CAE (Computer Aided Engineering) – автоматизированные системы инженерного анализа, модули для решения прикладных задач; - PDM (Product Data Management) – системы управления проектами и проектными данными. По характеру разновидности САПР. базовой подсистемы различают следующие 1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т.е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. Поэтому к этой группе систем относится большинство графических ядер САПР в области машиностроения. 2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например, при проектировании бизнес-планов, но имеют место также при проектировании объектов, подобных щитам управления в системах автоматики. 3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые программно-методические комплексы, например, имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по методу конечных элементов, синтеза и анализа систем автоматического управления и т.п. Часто такие САПР относятся к системам САЕ. Примерами могут служить математические пакеты типа MathCAD. 4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексным САПР являются CAD/CAM/CAE-системы в машиностроении или САПР БИС. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды. Функции, Функции характеристики CAD-систем в и машиностроении двухмерного (2D) и трехмерного (3D) относятся черчение, примеры оформление САЕ/САD/САМ-систем. подразделяют на функции проектирования. К функциям 2D конструкторской документации, к функциям 3D — получение трехмерных моделей, метрические расчеты, реалистичная визуализация, взаимное преобразование 2D и 3D моделей. Среди CAD-систем различают "легкие" и "тяжелые" системы. Первые из них ориентированы преимущественно на 2D графику сравнительно дешевы и менее требовательны в отношении вычислительных ресурсов. Вторые ориентированы на геометрическое моделирование (3D), более универсальны, дороги, оформление чертежной документации в них обычно осуществляется с помощью предварительной разработки трехмерных геометрических моделей. Таблица 1.1 Класс САПР Тяжелый Средний Легкий Программный продукт Unigraphics NX CATIA Pro/Engineer Solid Edge Solid Works Inventor T-FLEX КОМПАС AutoCAD Компания – разработчик Siemens PLM Software Dassault Systemes/ IBM PTC Siemens PLM Software Solid Works Autodesk «ТопСистемы» «АСКОН» Autodesk Основные функции САМ-систем: разработка технологических процессов. синтез управляющих программ для технологического оборудования с числовым программным управлением ЧПУ), моделирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных типов оборудования с ЧПУ, расчет норм времени обработки. Функции САЕ-систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. В состав машине строительных САЕ-систем, прежде всего, включают программы для следующих процедур: — моделирование полей физических величин, в том числе анализ прочности, который чаше всего выполняется в соответствии с МКЭ: — расчет состояний и переходных процессов на макроуровне: — имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри. Знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР разработчику. требуется практически любому инженеру- Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и офисы. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными как из-за больших материальных и временных затрат на проектирование, так и из-за невысокого качества проектов. Понятие инженерного проектирования. Проектирование технического объекта — создание, преобразование и представление в принятой форме образа еще не существующего объекта. Образ объекта или его составные частей могут создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. Стадии проектирования — наиболее крупные части проектирования, как процесса, развивающегося во времени. В общем случае выделяют стадии научно-исследовательских работ (НИР), эскизного проекта или опытноконструкторских работ (ОКР), технического, рабочего проектов, испытаний опытных образцов или опытных партии. Стадию НИР иногда называют предпроектными исследованиями или стадией технического предложения. Очевидно, что по мере перехода от стадии к стадии степень подробности и тщательность проработки проекта возрастают, и рабочий проект уже должен быть вполне достаточным для изготовления опытных или серийных образцов. Близким к определению стадии, но менее четко оговоренным понятием, является понятие этапа проектирования. Стадии (этапы) проектирования подразделяют на составные части, называемые проектными процедурами. Примерами проектных процедур могут служить подготовка деталировочных чертежей, анализ кинематики, моделирование переходного процесса, оптимизация параметров и другие проектные задачи. В свою очередь, проектные процедуры можно расчленить на более мелкие компоненты, называемые проектными операциями, например, при анализе прочности детали сеточными методами операциями могут быть построение сетки, выбор или расчет внешних воздействий, собственно моделирование полей напряжений и деформаций, представление результатов моделирования в графической и текстовой формах. Проектирование сводится к выполнению некоторых последовательностей проектных процедур — маршрутов проектирования. Иногда разработку ТЗ на проектирование называют внешним проектированием, а реализацию ТЗ — внутренним проектированием. Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, но оно является исходным (первичным) описанием объекта. Содержание технических заданий на проектирование: 1. Назначение объекта. 2. Условия эксплуатации. Наряду с качественными характеристиками (представленными в вербальной форме) имеются числовые параметры, называемые внешними параметрами, для которых указаны области допустимых значений. Примеры внешних параметров: температура окружающей среды. внешние силы, электрические напряжения, нагрузки и т.п. 3. Требования к выходным параметрам, т.е. к величинам, характеризующим свойства объекта, интересующие потребителя. Эти требования выражены в виде условий работоспособности. Для общей оценки качества машины большое значение имеет ее работоспособность, под которой понимается такое состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах установленных нормативно-технической документацией. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект, точнее окончательное описание объекта. Более коротко, проектирование — процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера. Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным, в отличие от ручного (без использования ЭВМ) или автоматического (без участия человека на промежуточных этапах). Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных случаях для сравнительно несложных объектов. Преобладающим в настоящее время является автоматизированное проектирование. Подсистемы машинной графики и геометрического моделирования занимают центральное место в машиностроительных CAD-системах Проектирование изделий в них, как правило, проводится в интерактивном режиме при оперировании геометрическими моделями, т.е. математическими объектами, отображающими форму деталей, состав сборочных узлов и возможно некоторые дополнительные параметры (масса, момент инерции, цвета, поверхности и т.п.). В системах автоматизированного проектирования типичный маршрут обработки данных включает в себя получение проектного решения в прикладной программе, его представление в виде геометрической модели (геометрическое моделирование), подготовку проектного решения к визуализации, собственно визуализацию в аппаратуре рабочей станции и при необходимости корректировку решения в интерактивном режиме. Две последние операции реализуются на базе аппаратных средств машинной графики. Когда систем, имеют в виду, говорят о математическом обеспечении СAD- прежде всего модели, методы и алгоритмы для геометрического моделирования и подготовки к визуализации. При этом часто именно математическое обеспечение подготовки к визуализации называют математическим обеспечением машинной графики. В 3D моделировании различают модели каркасные (проволочные), поверхностные, объемные (твердотельные). Каркасная модель представляет форму детали в виде конечного множества линий, лежащих на поверхностях детали. Для каждой линии известны координаты концевых точек и указана их принадлежность ребрам или поверхностям. Оперировать каркасной моделью на дальнейших операциях маршрутов проектирования неудобно, и поэтому каркасные модели в настоящее время используют редко. Поверхностная модель отображает форму детали с помощью задания ограничивающих ее поверхностей, например, в виде совокупности данных о гранях, ребрах и вершинах. Особое место занимают модели деталей с поверхностями сложной формы, так называемыми скульптурными поверхностями. К таким деталям относятся корпуса многих транспортных средств (например, судов, автомобилей, детали, обтекаемые потоками жидкостей и газов (лопатки турбин, крылья самолетов), и др. Объемные модели отличаются тем, что в них в явной форме содержатся сведения о принадлежности элементов внутреннему или внешнему по отношению к детали пространству. Лекция № 2 1. Геометрическое моделирование. 2. Функции моделирования. 3. Функции создания примитивов. 4. Параметрическое моделирование. В 3D моделировании различают модели каркасные (проволочные), поверхностные, объемные (твердотельные). Каркасная модель представляет форму детали в виде конечного множества линий, лежащих на поверхностях детали. Для каждой линии известны координаты концевых точек и указана их принадлежность ребрам или поверхностям. Оперировать каркасной моделью на дальнейших операциях маршрутов проектирования неудобно, и поэтому каркасные модели в настоящее время используют редко. Поверхностная модель отображает форму детали с помощью задания ограничивающих ее поверхностей, например, в виде совокупности данных о гранях, ребрах и вершинах. Особое место занимают модели деталей с поверхностями сложной формы, так называемыми скульптурными поверхностями. К таким деталям относятся корпуса многих транспортных средств (например, судов, автомобилей, детали, обтекаемые потоками жидкостей и газов (лопатки турбин, крылья самолетов), и др. Объемные модели отличаются тем, что в них в явной форме содержатся сведения о принадлежности элементов внутреннему или внешнему по отношению к детали пространству. В настоящее время применяют следующие подходы к построению геометрических моделей. 1. Задание граничных элементов — граней, ребер, вершин. 2. Кинематический подход, согласно которому задают двумерный контур и траекторию его перемещения. След от перемещения контура принимают в качестве поверхности детали. 3. Позиционный подход, в соответствии с которым рассматриваемое пространство разбивают на ячейки (позиции) и деталь задают указанием ячеек, принадлежащих детали; очевидна громоздкость этого подхода. 4. Представление сложной детали в виде совокупностей базовых элементов формы (БЭФ) и выполняемых над ними теоретико- множественных операций. К БЭФ относятся заранее разработанные модели простых тел, это, в первую очередь, модели параллелепипеда, цилиндра, сферы, призмы. Типичными теоретико-множественными операциями являются объединение, пересечение, разность. Например, модель плиты с отверстием в ней может быть получена вычитанием цилиндра из параллелепипеда. Метод на основе БЭФ часто называют методом конструктивной геометрии. Это основной способ конструирования сборочных узлов в современных CAD-системах. СИСТЕМЫ КАРКАСНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В системах каркасного моделирования (wireframe modeling systems) форма представляется в виде набора характеризующих ее линий и конечных точек. Линии и точки используются для представления трехмерных объектов на экране, а изменение формы осуществляется путем изменения положения и размеров отрезков и точек. Другими словами, визуальная модель представляет собой каркасный чертеж формы, а соответствующее математическое описание представляет собой набор уравнений кривых, координат точек и сведений о связности кривых и точек. Сведения о связности описывают принадлежность точек к конкретным кривым, а также пересечение кривых друг с другом. Системы каркасного моделирования были популярны в ту пору, когда геометрическое моделирование только начало зарождаться. Их популярность объяснялась тем, что в системах каркасного моделирования создание форм выполнялось через последовательность простых действий, так что пользователям было достаточно легко создавать формы самостоятельно. Однако визуальная модель, состоящая из одних лишь линий, может быть неоднозначной (рис. 1). Более того, соответствующее математическое описание не содержит сведений о внутренних и внешних поверхностях моделируемого объекта. Без этих сведений невозможно рассчитать массу объекта, Определить траектории перемещения инструмента при обработке объекта или создать сетку для конечно-элементного анализа, несмотря на то, что объект кажется трехмерным. Поскольку эти операции являются неотъемлемой частью процесса проектирования, системы каркасного моделирования были постепенно вытеснены системами поверхностного и твердотельного моделирования. Рис. 2.1. Неоднозначные каркасные модели СИСТЕМЫ ПОВЕРХНОСТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В системах поверхностного моделирования (surface modeling systems) математическое описание визуальной модели включает в себя не только сведения о характеристических линиях и их конечных точках, как в каркасном моделировании, но и данные о поверхностях. При работе с отображаемой на экране моделью изменяются уравнения поверхностей, уравнения кривых и координаты конечных точек. Если поверхности не окрашены и не затушеваны, визуальная модель в системе поверхностного моделирования может выглядеть точно так же, как в системе каркасного моделирования. Математическое описание может включать сведения о связности поверхностей, то есть о том, как поверхности соединяются друг с другом и по каким кривым. Однако в математическое описание моделей, создававшихся в системах поверхностного моделирования, обычно включались только уравнения бесконечных поверхностей (или их параметры) без сведений о связности. Существует три стандартных метода создания поверхностей в системах поверхностного моделирования. 1. Интерполяция входных точек. 2. Интерполяция криволинейных сеток. 3. Трансляция или вращение заданной кривой. Способы ввода для каждого метода могут зависеть от конкретной системы поверхностного моделирования. Однако базовый метод ввода для каждой системы легко определить по представлению кривых и плоскостей. Системы поверхностного моделирования используются для создания моделей со сложными поверхностями, потому что визуальная модель позволяет оценить эстетичность проекта, а математическое описание позволяет построить программу для обработки поверхностей детали на станке с ЧПУ. СИСТЕМЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Системы твердотельного моделирования (solid modeling systems) предназначены для работы с объектами, состоящими из замкнутого объема, или монолита (solid). В системах твердотельного моделирования, в отличие от систем каркасного и поверхностного моделирования, не допускается создание наборов поверхностей или характеристических линий, если они не образуют замкнутого объема. Математическое описание объекта, созданного в системе твердотельного моделирования, содержит сведения, по которым система может определить, где находится какая-либо точка: внутри объема, снаружи его или на его границе. По этим сведениям можно получить любую информацию об объеме тела. Разработчики систем твердотельного моделирования стараются предоставить простые и естественные функции, чтобы пользователи могли работать с объемными формами точно так же, как они работают с физическими моделями, не вдаваясь в подробности математического описания. Функции моделирования, подобные созданию примитивов, булевским операциям поднятию, построению фигуры вращения, повороту и закруглению, требуют от пользователя совсем немного. Обо всех деталях математического описания системы заботятся сами. ФУНКЦИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ Функции моделирования, поддерживаемые большинством систем твердотельного моделирования, могут быть разделены на пять основных групп. В первую группу входят функции, используемые для создания простых форм на основе объемных заготовок, имеющихся в программе, - так называемые функции создания примитивов (primitive creation functions). К этой же группе относятся функции добавления и вычитания объема булевские операторы (Boolean operations). Функции моделирования из первой группы позволяют проектировщику быстро создать форму, близкую к окончательной форме детали. Ко второй группе относятся функции создания объемных тел путем перемещения поверхности. Функция заметания (sweeping) позволяет создавать объемное тело выталкиванием или вращением области, заданной на плоскости. Задавая замкнутую плоскую область, пользователь может указывать геометрические ограничения или вводить данные о размерах, а не рисовать форму вручную. Здесь под геометрическими ограничениями понимаются соотношения между элементами рисунка (перпендикулярность отрез ков, касание дуги окружности отрезком и т. д.). В этом случае система построит точную форму, удовлетворяющую ограничениям, самостоятельно. Изменение геометрических ограничений или размеров даст другую плоскую область и другое объемное тело. Такой подход называется параметрическим моделированием, поскольку изменение параметров позволяет получить разные объекты. Параметрами могут быть постоянные, входящие в геометрические ограничения, а также размеры. Функция скиннинга (skinning) создает объемное тело, натягивая поверхность на заданные поперечные сечения. Функции второй группы позволяют проектировщику начать моделирование с формы, весьма близкой к конечному результату, поскольку одних поперечных сечений вполне достаточно для точного описания конечного объемного тела. В третью группу входят функции моделирования, предназначенные главным образом для изменения существующей формы. Типичными примерами являются функции скругления или плавного сопряжения (rounding, blending) и поднятия (lifting). К четвертой группе относятся функции, позволяющие непосредственно манипулировать составляющими объемных тел, то есть вершинами, ребрами и гранями. Работа с этими функциями (аналогичными функциям систем поверхностного моделирования) называется моделированием границ (boundary modeling). В последнюю группу входят функции, используя которые проектировщик может моделировать твердое тело при помощи свободных форм. Например, он может давать системе команды типа «сделать отверстие такого-то размера в таком-то месте» или «сделать фаску такого-то размера в таком-то месте». Работа с такими функциями называется объектно-ориентированным моделированием (feature-based modeling). В последнее время функциям пятой группы уделяется особое внимание, поскольку модель, построенная с их помощью, содержит информацию о процессе создания, без которой невозможно автоматическое формирование плана технологического процесса для детали. Заметьте, что модель, созданная другими средствами, содержит только элементарные геометрические сведения о вершинах, ребрах и гранях. ФУНКЦИИ СОЗДАНИЯ ПРИМИТИВОВ Функции создания примитивов позволяют выбирать и создавать простейшие объекты, заранее определенные авторами системы моделирования. Размер примитива задается пользователем. Примитивы, поддерживаемые большинством систем твердотельного моделирования. Размеры, указанные на этом рисунке буквами, могут устанавливаться пользователем. Примитивы сохраняются в базе данных процедурой, осуществляющей их создание, а параметры примитивов передаются этой процедуре в качестве аргументов. Создание примитива описано в приложении В. Булевские операции Если бы в списке примитивов можно было найти любое объемное тело, это было бы замечательно. Однако из-за разнообразия возможных применений систем геометрического моделирования сохранить заранее все мыслимые формы невозможно. Гораздо проще приблизиться к решению, предоставив пользователю средства для комбинирования примитивов. В качестве метода комбинирования в твердотельном моделировании применяются булевские операции теории множеств. Другими словами, каждое примитивное объемное тело считается множеством точек, к множествам применяются булевские операции, а в результате получается объемное тело, состоящее из точек, полученных после преобразований. Большинством систем твердотельного моделирования поддерживаются следующие булевские операции: объединение, пересечение и разность. До применения булевских операций необходимо определить относительное положение и ориентацию примитивов. Булевские применяться не только к примитивам. Объединение примитивов операции могут Пересечение примитивов Рис. 2.2. Булевские операции Еще одна функция моделирования реализуется подобно булевским операциям - это функция разрезания объемного тела плоскостью, после применения которой получается тело из двух частей. Того же результата можно достичь, применив операцию вычитания к объемному телу, которое должно быть разрезано, и кубу, одной из граней которого является секущая плоскость. По этой причине функция разрезания также может быть отнесена к булевским операциям. Функция заметания (sweeping) формирует объемное тело трансляцией или вращением замкнутой плоской фигуры. Если плоская фигура будет незамкнутой, в результате вращения получится не объемное тело, поверхность. Такой вариант моделирования. вращения поддерживается системами поверхностно Рис. 2.3. Выдавливание Рис. 2.4. Вращение СКИННИНГ Функция скиннинга (skinning) формирует замкнутый объем, натягивая поверхность на заданные плоские поперечные сечения тела. Можно представить себе, что на каркас фигуры, образованный границами поперечных сечений, натягивается ткань или винил. Если к натянутой поверхности не добавить конечные грани (два крайних сечения), в результате получится поверхность, а не замкнутый объем. В таком варианте функция скиннинга представлена в системах поверхностного моделирования. Рис. 2.5. Функция скиннинга СКРУГЛЕНИЕ ИЛИ ПЛАВНОЕ СОПРЯЖЕНИЕ Скругление (rounding) или плавное сопряжение (blending), используется для модифицирования существующей модели, состоящего в замене острого ребра или вершины гладкой криволинейной поверхностью, векторы нормали к которой не прерывно продолжают векторы нормали поверхностей, сходившихся у исходной ребра или вершины. Замену острого прямого ребра цилиндрической поверхностью демонстрирует (рис. 2.6 а). Векторы нормали к цилиндрической поверхностей продолжаются векторами соседних плоских граней. Здесь также обеспечиваете непрерывность векторов нормали. Частный случай скругления с добавлением, а не удалением материала показан на рис. 2.6 б. Такая процедура называете выкружкой (filleting). Рис. 2.6. Функция скругления ПОДНЯТИЕ Поднятием (lifting) называется перемещение всей грани объемного тела или ее части в заданном направлении с одновременным удлинением тела в этом направлении (рис. 2.7 а). Если нужно поднять только часть грани (рис. 2.7 б), эту грань необходимо заранее разделить. Для этого достаточно добавить ребро, которое будет разбивать грань на нужные части. Но внутри системы при этом будут произведены некоторые дополнительные действия, результатом которых станет деление грани. Обычно при этом обновляются сведения о связности поверхности. Рис. 2.7. Функция поднятия МОДЕЛИРОВАНИЕ ГРАНИЦ Функции моделирования границ используются для добавления, удаления и изменения элементов объемного тела — его вершин, ребер и граней. Следовательно, процедура, использующая функции моделирования границ, будет выглядеть точно так же, как в системах поверхностного моделирования. Другими словами, вначале создаются точки, затем создаются ребра, соединяющие эти точки, и наконец, граничные ребра определяют поверхность. Однако в системах твердотельного моделирования, в отличие от систем поверхностного моделирования, нужно определить все поверхности таким образом, чтобы образовался замкнутый объем. Функции моделирования границ удобно применять для изменения формы уже существующего тела. Вершину можно передвинуть в новое положение, изменив соответствующим образом соседние ребра и грани (рис. 2.8). Прямое ребро можно заменить криволинейным, в результате чего изменятся связанные грани и вершины (рис. 2.9). Плоскую поверхность можно заменить на криволинейную с модификацией ребер и вершин (рис. 2.10). Перечисленные функции моделирования называются функциями тонкого редактирования (tweaking functions). Они используются для моделирования поскольку тел, такие ограниченных поверхности легко криволинейными получать из поверхностями, плоских граней многогранника. Рис. 2.8. Модификация объекта перемещением вершины Рис. 2.9. Модификация объекта заменой ребра Рис. 2.10. Модификация объекта заменой поверхности Объектно-ориентированное моделирование (feature-based modeling) позволяет инструктору создавать объемные тела, используя привычные элементы форм (features). Достоинством систем объектно-ориентированного моделирования поддерживался такие элементы, которые используются при изготовлении деталей: фаски, отверстия, скругления, пазы, выемки и т. д. Такие элементы называются производственными, поскольку каждый из них может быть получен в результате конкретного процесса производства. Например, отверстие создается сверлением, а выемка — фрезерованием. Рис. 2.11. Модель, созданная командами «Выемка» и «Отверстие» Рис.2.12. Производственные элементы: а — фаска; б — отверстие; в — выемка; г — скругление Параметрическое моделирование Параметрическое моделирование (parametric modeling) заключается в том, что конструктор ограничений и определяет некоторых форму размерных заданием геометрических параметров. Геометрические ограничения описывают отношения геометрических элементов. Примерами ограничений являются параллельность двух граней, касательность криволинейного ребра к соседнему прямому и т. д. К размерным данным относятся не только заданные размеры формы, но и соотношения между размерами. Соотношения записываются конструктором в виде математических уравнений. Таким образом, параметрическое моделирование заключается в построении формы путем решения уравнений, выражающих геометрические ограничения, и уравнений, описывающих заданные размеры и соотношения между ними. В параметрическом моделировании построение формы обычно осуществляется в приведенной ниже последовательности. 1. Строится грубый набросок плоской фигуры. 2. В интерактивном режиме вводятся геометрические ограничения и данные о размерах. 3. Строится плоская фигура, отвечающая ограничениям и требованиям к размерам. 4. Шаги 2 и 3 повторяются с изменением ограничений или размеров до тех пор, пока не будет получена нужная модель (рис. 5.22). 5. Объемное тело создается заметанием или вращением плоской фигуры. Толщина и угол поворота также могут стать размерными параметрами, что позволит при необходимости легко изменить созданную трехмерную форму. Обратите внимание, что форма в параметрическом моделировании изменяется не непосредственно, а через использование геометрических ограничений и размерных соотношений. Поэтому конструктор может разработать множество альтернативных проектов, не заботясь о деталях, но сосредоточившись на функциональных аспектах. Разновидности параметрического моделирования выделяются по методам решения уравнений, описывающих геометрические ограничения. Системы первого типа решают уравнения последовательно, а системы второго типа — одновременно. В первом случае форма тела зависит от порядка введения ограничений. Во втором случае одна и та же форма получается независимо от последовательности введения ограничений, но в случае их конфликта могут возникнуть проблемы. Рис. 2.13.Изменение формы через ограничения Лекция № 3 1. Виды конструкторского проектирования. 2. Задачи конструкторского проектирования. 3. Внутримашинное представление объектов проектирования. 4. Методы описания объектов проектирования. Основная задача конструкторского проектирования — реализация принципиальных схем, полученных на этапе функционального проектирования (составления ТЗ). При этом производятся конструирование отдельных деталей, компоновка узлов из деталей и конструктивных элементов, агрегатов из узлов, после чего оформляется техническая документация на объект проектирования. Объект проектирования — объект соответствующего проектного решения. Характер решения зависит от вида проектирования. Проектирование может быть: концептуальным, структурным и параметрическим. Концептуальное проектирование можно считать проектированием «верхнего уровня». Его выполняют при отсутствии информации даже о возможной структуре объекта проектирования. Объект рассматривают в целом во взаимодействии с внешней средой, стремясь приближенно наметить его структуру, которая может быть неоднородной и состоящей из нетиповых подсистем. Главными задачами концептуального проектирования являются определение целей, ограничений, основных функций и укрупненной структуры объекта, а также альтернативных вариантов его реализации. Результаты проектирования примерно соответствуют уровню эскизного проекта. При структурном проектировании, зная входные и выходные характеристики объекта в целом и основные принципы его построения и функционирования, определяют его элементный состав и структуру. Параметрическое проектирование реализует результаты структурного проектирования в направлении определения количественных значений параметров элементов структуры. Общий алгоритм формирования проектного технологического решения показан на рис. 3.1. Техническое задание содержит первичное описание желаемого объекта проектирования (например, ТП) в заданной форме. Это описание является достаточно общим, в нем указывают, как правило, лишь некоторые, приближенные характеристики желаемого объекта проектирования. Его структура неизвестна. Формирование проектного решения (объекта проектирования) начинают с синтеза исходного варианта его структуры (см. блок 2, рис. 3.1). Синтез структуры объекта — сложная проектная процедура, включающая в себя:  определение элементного состава объекта;  установление связей между элементами. Впервые синтезированную структуру иногда называют первичной структурой объекта. Для оценки синтезированного варианта структуры объекта создают (или используют) его математическую модель. Выбирают (определяют) исходные значения параметров элементов. Анализируют вариант объекта — определяют его свойства по структуре и значениям параметров. Оценка варианта объекта проектирования заключается в проверке соответствия его характеристик заданным (желаемым). Если решение удовлетворяет разработчика, то на соответствующий объект проектирования оформляют необходимую документацию. В противном случае улучшения решения пытаются добиться в первую очередь изменением (модификацией) его параметров (см. блок 9, рис. 3.1), не изменяя его структуры. Если параметрический синтез не принес желаемых результатов и качество полученного проектного решения не соответствует техническому заданию, то изменяют структуру объекта решения, вплоть до синтеза новой. Если не удается получить приемлемое проектное решение, то возможна корректировка технического задания, так как показатели объекта проектирования, предписанные прежним заданием, невозможно обеспечить. В принципе, допустим полный отказ от полученного результата проектирования вследствие его неудовлетворительности или даже абсурдности. Одна группа задач конструкторского проектирования предназначена для синтезирования структуры (топологии) конструкции с учетом ее функциональных характеристик — задачи топологического проектирования, другая группа задач определяет чисто геометрические параметры конструкции (например, параметры формы) – задачи геометрического проектирования. Кроме того, к задачам конструкторского проектирования полученных необходимо конструкторских отнести проверку (анализ) решений. Классификация задач качества конст- рукторского проектирования показана на рис. 3.2. Рис. 3.1. Общий алгоритм формирования проектного решения Рис. 3.2. Классификация задач конструкторского проектирования Совокупность процедур анализа, оценки результатов и модификации (изменения) параметров называют параметрическим синтезом. Задачи топологического проектирования. Основными задачами (процедурами) топологического проектирования являются задачи компоновки, размещения и трассировки. Решение задач компоновки конструктивных элементов высшего иерархического уровня из элементов низшего иерархического уровня в большинстве случаев наиболее трудоемкая часть конструкторского проектирования, и иногда под компоновкой понимают собственно процесс конструирования. Задача компоновки машиностроительных узлов обычно состоит из двух частей: эскизной и рабочей. При решении эскизной части задачи компоновки по функциональной схеме разрабатывают общую конструкцию узла. На основе эскизной компоновки составляют рабочую компоновку с более детальной проработкой конструкции узла. Например, процесс компоновки зубчатого редуктора выполняется по его кинематической схеме. Предварительно необходимо рассчитать передаточные числа ступеней. Задача компоновки заключается в установке валов и зубчатых колес, обеспечивающих заданные передаточные числа, установке подшипников, уплотнений и других конструктивных элементов. Критериями компоновки зубчатого редуктора могут быть масса редуктора и его габаритные размеры, удобство ремонта и обслуживания. Задачи топологического проектирования в наибольшей степени формализованы при конструировании электронной аппаратуры. Поэтому рассмотрим их применительно к электронным устройствам. Среди задач компоновки электронных устройств можно выделить: 1) задачи покрытия; 2) задачи разбиения. Задача покрытия заключается в преобразовании функциональной схемы соединений логических элементов узла в схему соединений типовых конструктивных элементов (модулей). В результате решения задачи разбиения осуществляется разделение на конструктивно обособленные части (узлы) схемы соединений конструктивных элементов на некотором иерархическом уровне. Типичной задачей размещения электронных устройств является определение оптимального пространственного расположения элементов на печатной плате. Задача трассировки электронных устройств заключается в определении геометрии соединений конструктивных элементов. С решением задач размещения и трассировки приходится сталкиваться не только при проектировании радиоэлектронных устройств, но и при проектировании объектов других отраслей техники и народного хозяйства (например, при размещении технологического оборудования в цехе, элементов гидросистемы станка, трассировке транспортных потоков цеха, прокладке нефте- и газопроводов и с учетом рельефа местности, прокладке автомобильных и железных дорог и т. д.). Задачи геометрического проектирования. Геометрическое проектирование включает в себя задачи геометрического моделирования, геометрического синтеза и оформления конструкторской и технологической документации. Геометрическое моделирование включает решение позиционных и метрических задач на основе преобразования геометрических моделей. Элементарными геометрическими объектами являются точка, прямая, окружность, плоскость, кривые, цилиндр, шар и т. д. К типовым позиционным задачам относят: - определение координат точки пересечения прямой с криволинейным контуром или поверхностью; - установление пересечения контуров и вычисление координат их точек пересечения; - определение взаимного расположения плоских или пространственных областей. На основе типовых позиционных задач решаются следующие конструкторские задачи: определение факта касания или столкновения движущихся деталей, наложения деталей, проверка гарантированных зазоров между деталями, оценка погрешности обработки контуров и поверхностей деталей на станках. К метрическим задачам относят, например, вычисление длины, площади, периметра, центра масс, моментов инерции. Геометрический синтез включает решение задач двух групп. Первая группа задач — задачи формирования (компоновки) сложных геометрических объектов (ГО) из элементарных ГО заданной структуры, возникающих, например, при оформлении деталировочного чертежа. Основным критерием геометрического синтеза сложных ГО является точность их воспроизведения. Вторая группа задач обеспечивает получение рациональной или оптимальной формы (облика) деталей, узлов или агрегатов, влияющей на качество функционирования объектов конструирования. Задачи формирования облика возникают на ранних стадиях проектирования при определении конфигурации корпуса судна, автомобиля, тепловоза, самолета, спускаемого космического аппарата или конфигурации сопла реактивного двигателя и т. д. В задачи оформления конструкторской документации входит изготовление текстовых и графических документов. Текстовые документы кроме описательной части содержат: характеристики и паспортные данные узлов и агрегатов; технические условия на изготовление, сборку, наладку и эксплуатацию; спецификации и т. д. К графическим документам относятся чертежи сборочные и деталировочные, графики структурных сеток кинематических цепей, циклограммы и зависимости для выбора параметров режимов работы агрегатов и устройств, схемы структурные, функциональные и принципиальные (электрические, электронные, гидравлические и т. д.). При решении большинства задач в области автоматизированного конструирования и технологической подготовки производства необходимо учитывать форму проектируемого объекта. Из этого следует, что геометрическое моделирование является ядром автоматизированного конструирования и технологической подготовки производства. Информация о геометрических характеристиках объекта используется не только для получения графического изображения, но и для расчета различных характеристик объекта и технологических параметров его изготовления. Информация о внешней геометрической форме проектируемого объекта является неотъемлемым производства (рис. 3.3). элементом процесса конструирования и Рис. 3.3. Геометрическое моделирование в процессе конструирования В традиционном процессе конструирования обмен информацией осуществляется на основе эскизных и рабочих чертежей и использованием нормативно-справочной и технической документации. В САПР этот обмен осуществляется на основе внутримашинного представления объекта. Рис. 3.4. Обмен информацией в процессе конструирования САПР технических объектов, реализующие процесс манипулирования геометрическими моделирования. представление объектами, Основой объекта, называются этого процесса которое можно системами геометрического является внутримашинное получить в результате последовательных отображений моделей объекта с учетом особенностей геометрического моделирования: - графическое представление объекта получается отображением, в котором все геометрические зависимости представлены в виде логической структуры данных. Рис. 3.5. Концептуальная архитектура системы геометрического моделирования Под геометрическими моделями понимают модели, содержащие информацию о геометрии изделия, технологическую, функциональную и вспомогательную информацию. Под геометрическим многоступенчатый процесс моделированием – от соответствии с поставленной задачей представления (рис. 3.6.). вербального до понимают описания получения весь объекта в внутримашинного Рис. 3.6. Уровни моделирования технического объекта (2D – двумерного; 3D – трехмерного) Внутримашинное представление объектов проектирования Решение задач конструирования и ТПП с применением ЭВМ предполагает переход от реального технического объекта к его кодированному описанию в памяти вычислительной машины. Такой переход осуществляется, как правило, в несколько этапов, представленных на рис. 3.6. На первом этапе реальный пространственный объект подвергается абстракции, в результате определяется вербальная модель, которая может полно или частично отражать реальный объект. Сложность вербальной модели, зависящая от сложности технического объекта и использования его описания в задачах проектирования, будет определять в дальнейшем концепцию САПР. Таким образом, вербальная модель является обобщением взглядов пользователей САПР на технический объект. На втором этапе информационную модель получают путем формализации вербальной модели, выделяя уровни структуризации данных и их взаимосвязь. На этом этапе определяют также полноту информационной модели с учетом процессов обработки информации в задачах проектирования. Таким образом, информационная модель уточняет и структурирует эту информацию с логической точки зрения и, с одной стороны, является проблемно-ориентированной, а с другой стороны, обеспечивает эффективное управление информацией в САПР. Третий этап - отображение информационной модели в память ЭВМ называется внутримашинной моделью или внутримашинным представлением технического объекта – ВПО. ВПО в интегрированной САПР является ядром данных, на котором реализуется планирование и внедрение задач проектирования. Существенным моментом ВПО является то, что оно должно отражать характеристики не одной детали, а целого класса деталей на различных стадиях проектирования, фиксируемых в технической документации. Поскольку под техническим объектом можно понимать и деталь, и изделие, и технологическое оборудование, то необходим дифференцированный подход к описанию этих объектов. Так, ВПО для детали характеризуется данными, описывающими геометрию детали, в то время как технологическое оборудование может характеризоваться также данными по технологии обработки и др. ВПО в процессе обработки полностью находится в рабочей области памяти, в то время как рабочая область в банке данных является виртуальной памятью, в которую могут быть отображены любые объекты. Более того, банк данных обеспечивает связь между различными ВПО, что приводит к уменьшению избыточности данных и интеграции данных в целом. Методы описания объектов моделирования Методы, лежащие в основе концепций САПР, можно подразделить по степени сложности описания объектов на трех- и двумерные и по конструктивным элементам описания – на объемные, поверхностные и каркасные. Тогда в САПР можно представить модели следующих уровней сложности: трехмерная объемная; трехмерная поверхностная; трехмерная каркасная; двумерная поверхностная; двумерная каркасная. Метод трехмерного объемного описания предполагает использование множества конструктивных; объемных элементов для получения деталей произвольной формы. Элементами ВПО являются точка, контур, поверхность, элементарные и сложные тела. Эти элемента обеспечивают обработку геометрической информации для всех процессов автоматизированного проектирования (рис. 3.7). Методы трехмерного поверхностного описания, основанные на перечисленных выше конструктивных элементах, применяются для любых тел, имеющих формообразующую поверхность и заданное смещение всех ее точек (т.е. тело с заданной толщиной). Для такого описания создается полное и точное ВПО, которое по своему объему меньше, чем для объемного описания, но достаточно с точки зрения информационного содержания для использования его в различных приложениях автоматически генерируется объемное описание). (например, из него Рис. 3.7. Объемное и поверхностное представление подобных геометрических фигур: F – поверхность; К – контур; Р – точка; V – объем С помощью двумерного поверхностного описания можно представлять детали с плоской формообразующей поверхностью и детали типа тела вращения. По позволяющим сравнению получать формообразующей с трехмерным объемное поверхностью, полигональным представление этот метод тел описанием, с плоской ориентирован на представление объектов только в плоскости. Затраты на описание тел вращения больше, а полнота описания немногим более, чем при объемном представлении, что не дает реальных преимуществ применения этого метода. Методы двумерного описания в основном направлены на создание рисунков, чертежей. Они пригодны для любого класса объектов при внутримашинном представлении проекций и разрезов. В большинстве существующих САПР этот метод используется для ВПО вследствие относительно небольших затрат на его реализацию. Лекция № 4 1. Технологическая подготовка производства – функции и структура ТПП. 2. Характеристика и задача этапов ТПП. 3. Общий алгоритм неавтоматизированного проектирования ТП. Техническая подготовка производства включает в себя три ком- плексных этапа: конструкторскую и технологическую подготовки, а также календарное планирование производственного процесса изготовления изделий в установленные сроки, в соответствующих объемах и затратах. Конструкторская подготовка завершается разработкой конструкции изделия и созданием чертежей с соответствующими спецификациями и другими конструкторскими документами в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). Рабочая конструкторская документация на изделие включает в себя сборочные чертежи изделия и его сборочных единиц, спецификации, ведомость спецификаций, ведомость покупных изделий, чертежи деталей изделия, программы и методики испытаний, техническое описание и инструкции по эксплуатации изделия. Технологическая подготовка производства — вид производственной деятельности предприятия технологическую готовность (группы предприятий), производства к обеспечивающей изготовлению изделий, отвечающих требованиям заказчика или рынка данного класса изделий. Технологическое решение — проектное решение, в котором определены значения параметров технологических процессов изготовления данного объекта в заданных условиях и с заданными характеристиками. Организационное решение — проектное решение, в котором определена форма (порядок) соединения элементов производства для обеспечения изготовления заданного объекта в заданных условиях и с заданными характеристиками. Формирование определяющих технологических и организационных решений по производству изделия — составная часть работ, проводимых разработчиком по выбору конструкторско-технологических решений по изделию и обеспечению его технологичности в процессе выполнения технического предложения, эскизного и технического проектов. В основу разработки ТП изготовления изделий машиностроения положены два принципа — технический и экономический. В соответствии с первым из них спроектированный процесс должен полностью обеспечить выполнение всех требований конструкторской документации и технических условий приемки изделия. Согласно второму принципу изготовление изделия должно быть осуществлено с учетом минимальных затрат труда и издержек производства. Проектирование ТП — многовариантная задача. Для изготовления одной и той же детали или сборочной единицы могут быть спроектированы различные ТП, отличающиеся технико-экономическими показателями и, прежде всего, затратами на изготовление и производительностью, а также надежностью обеспечения заданного качества изделия. Технический и экономический принципы проектирования ТП, отражая различные стороны изготовления машины, находятся в диалектическом противоречии. Разрешение данного противоречия достигается за счет компромисса и оптимизации ТП. Технический принцип должен соблюдаться всегда. Наиболее часто достигают компромисс между производительностью и затратами. При равной производительности сопоставляемых ТП выбирают процесс, обеспечивающий минимум затрат. При равных затратах обычно выбирают более производительный ТП. При разных затратах и производительностях выбирают ТП, обеспечивающий минимум затрат, при условии, что производительность всех сравниваемых вариантов не ниже заданной. При выпуске особо важной продукции или в экстремальных условиях на определенный период времени предпочтение отдают более производительному ТП. Для изделий высокой ответственности, например, газотурбинных авиадвигателей, независимо от типа производства предпочтение отдают ТП, более надежно обеспечивающим заданное качество изготовления. Целью ТПП является оптимальное по срокам и ресурсам обеспечение технологической готовности производства к изготовлению изделий в соответствии с требованиями заказчика или рынка данного класса изделий. Важнейшей функцией ТПП изделий машиностроения является проектирование ТП их изготовления, включающее: • проектирование ТП изготовления деталей; • проектирование ТП узловой и общей сборки машин; • подготовку управляющих программ для оборудования. В соответствии с ГОСТ 3.1109—82 технологический процесс — это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда. Работа по созданию технологических процессов в соответствии с ГОСТ 14.301—83 в общем случае включает в себя: • обеспечение технологичности конструкций изделий; • выбор и подготовка заготовок; • разработка ТП; • проектирование средств технологического оснащения; • контроль и управление ТП. • Неавтоматизированное проектирование ТП весьма трудоемко, принимаемые при этом проектные решения субъективны и зачастую далеки от оптимальных. Лишь незначительная часть (не более 10... 15%) времени затрачивается технологами на принятие решений, а остальное — на поиск нужной информации и оформление (документирование) результатов. В результате увеличивается длительность ТПП, возникают предпосылки потери качества изделий. Рис. 4.1. Оценка полноты автоматизации основных функций ТПП (заштрихована доля трудоемкости работ, выполняемых в автоматизированном режиме) Виды технологических процессов По степени унификации различают следующие виды технологических процессов: единичный; типовой; групповой. Вид технологического процесса определяется количеством изделий, охватываемых процессом (одно изделие, группы однотипных изделий). • Единичный технологический процесс — технологический процесс, относящийся к изделиям одного наименования, типоразмера и исполнения, независимо от типа производства (применяется для изготовления изделий одного наименования, типоразмера и исполнения независимо от типа производства). • Типовой технологический процесс — технологический процесс, характеризуемый единством содержания и последовательности большинства технологических операций и переходов для группы изделий с общими конструктивными признаками. Типовой процесс применяется: а) как информационная основа при разработке рабочего технологического процесса; б) как рабочий технологический процесс при наличии всей необходимой информации для изготовления детали, или как база для разработки стандартов на типовые технологические процессы. Типовой технологический процесс может являться совокупностью типовых технологических операций, которые характеризуются единством содержания и последовательности технологических переходов для группы изделий с общими конструктивными признаками. • Групповой технологический процесс — технологический процесс, характеризуемый единством методов обработки с использованием однородных и быстро переналаживаемых приспособлений для групп изделий даже с разными конструктивными признаками. Групповой технологический процесс может состоять из групповых технологических операций, которые являются общими для групп различных деталей с определенной групповой оснасткой на данном оборудовании. Таким образом, групповой технологический процесс — это совокупность групповых технологических различных деталей операций, группы (или обеспечивающих нескольких изготовление групп) по общему технологическому маршруту. Технологический процесс разделяется на составные части: технологические операции, установы, позиции, переходы, ходы, приемы. Технологической выполняемую операцией непрерывно на называют одном законченную рабочем месте часть (участке ТП, про- изводственной площади, оборудованном в соответствии с выполняемой на нем работой). Число операций в ТП изготовления деталей может изменяться от одной-двух (изготовление детали на прутковом автомате, изготовление корпусной детали на многооперационном станке) до десятков или даже сотен (изготовление турбинных лопаток, сложных корпусных деталей и т.д.). Кроме технологических различают и вспомогательные транспортирование, контроль, маркирование и др. операции: Рис. 4.2. Структура технологического процесса Значения многих показателей качества деталей (отклонения размеров, формы, взаимного расположения поверхностей, параметров шероховатости и волнистости поверхностей и др.) в ходе ТП «ступенчато» уменьшаются до значений, соответствующих заданным допускам. Технологическая операция — основной элемент ТП, имеющий собственную структуру. Технологический переход — законченная часть технологической операции, выполняемой одними и теми же средствами технологического оснащения при неизменных технологических режимах. Технологическим режимом называют совокупность изменений параметров ТП в определенном интервале времени. К изменяемым параметрам процесса, определяющим режим, относят, например, глубину резания, подачу, скорость резания, температуру нагрева или охлаждения и т.д. Технологический переход характеризуют постоянством: • применяемого инструмента; • поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке; • технологического режима. Различают технологические переходы: • простые или элементарные — в работе одновременно находится не более одного инструмента; • сложные или инструментальные — при одном движении исполнительного рабочего органа оборудования в работе одновременно участвуют несколько инструментов, или при непрерывном движении одного инструмента обрабатывают несколько поверхностей (контурная обработка на станке с ЧПУ). Технологические переходы выполняют последовательно или параллельно-последовательно (с совмещением во времени). Операция может состоять как из одного, так и нескольких технологических переходов (простых или сложных). Список технологических переходов определяет состав (содержание) технологической операции. Порядок выполнения переходов определяет структуру операции. Вспомогательный переход — законченная часть технологической операции, состоящая из действий человека и (или) оборудования, которые не сопровождаются изменением состояния предметов производства, но необходимы для выполнения технологической операции: закрепления заготовки, смены инструмента и т.д. Технологическую операцию следует рассматривать как совокупность технологических и вспомогательных переходов, причем технологические переходы обеспечивают изменения состояния предмета производства, а вспомогательные — выполнение технологических переходов. Рабочий ход — законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменениями формы, размеров, качества поверхности или свойств заготовки. Рабочий ход является отдельной (единичной) реализацией соответствующего технологического перехода, при которой снимают (или добавляют) один слой материала. Число рабочих ходов, выполняемых в одном технологическом переходе, выбирают исходя из обеспечения оптимальных условий обработки, например, уменьшения глубины резания при съеме значительных слоев материала. Установ — часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемой заготовки или сборочной занимаемое неизменно единицы. Позиция — фиксированное положение, закрепленной обрабатываемой заготовкой или собираемой сборочной единицей совместно с приспособлением относительно инструмента или неподвижных частей оборудования. Прием — законченная совокупность действий при выполнении перехода или его части, объединенных одним целевым назначением. Так, при выполнении вспомогательного перехода установки заготовки в приспособление последовательно выполняют приемы: взять заготовку из тары, установить в приспособление и закрепить в нем. У спроектированного ТП или его части должны быть полностью определены элементы, структура и необходимые характеристики. Формирование решения применительно к ТП имеет следующие особенности: • процесс проектирования может быть разделен на стадии и уровни. Получение общего решения, связанного с разработкой единичного ТП, является результатом выполнения отдельных проектных задач и процедур. Любой ТП может быть разделен на этапы (см. табл. 4.1). Каждый этап состоит из отдельных операций. Каждая операция включает технологические и вспомогательные переходы. Принимая решения на каждом проектирования, последовательно детализируют его объект; • уровне • связь между уровнями проектирования носит иерархический характер. Высшим уровнем является, например, уровень установления стадий изготовления детали, низшим — уровень разработки содержания и последовательности выполнения рабочих и вспомогательных ходов. Принятие проектного решения ведут последовательно по соподчиненным уровням; • существует приоритет решений, принятых на высших уровнях проектирования, по отношению к низшим. Решения, принятые на высших уровнях, обязательны для низших. Так, например, если на этапе разработки маршрутного ТП изготовления детали была выбрана схема установки заготовки при обработке, то на уровне определения содержания операции эта схема является основой для выбора варианта станочного приспособления; • при невозможности на более низшем уровне проектирования исполнить решение, принятое на более высоком уровне, последний информируют о необходимости корректировки решения (принцип обратной связи). Например, разработка содержания и последовательности выполнения переходов операции обработки на станке с ЧПУ может привести к превышению необходимого количества режущего инструмента над возможностями револьверной головки. Возникает необходимость переноса части переходов в другие операции. Поэтому необходимо вернуться на более высокий (ранний) уровень проектирования и провести перекомпоновку операций; • процесс проектирования носит итерационный характер. Этот принцип предполагает обязательно полное (пусть вариантное) решение задач каждого уровня, после чего возможен переход к следующему; • действует принцип неокончательности решений. Он позволяет проектировщику получать не одно, а несколько решений, близких к оптимальному. Это особенно важно для верхних уровней проектирования, где трудно использовать варианта; формальные критерии выбора рационального • при проектировании ТП изготовления изделий некоторые решения могут быть использованы повторно для аналогичных проектных ситуаций (принцип преемственности решений). Каждый этап ТП состоит из отдельных технологических операций, выполняемых в определенной (заданной) последовательности. Таблица 4.1. Характеристика и задачи этапов технологического процесса Наименовани е этапа Заготовительный Точност Технологические задачи Черновой ь IT>14 размеро 12