Введение к работе
Актуальность работы
Сложность технологических операций, подлежащих проектированию и использованию в ходе механической обработки деталей на оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ), непрерывно возрастает. Это явление вызвано влиянием двух групп факторов. С одной стороны рост сложности технологических операций связан с ужесточением требований к вновь формируемым свойствам деталей (усложнением обрабатываемых поверхностей, повышением требований к качеству обработки деталей и т.д.), а с другой стороны - с увеличением числа нормируемых свойств самой операции, характеризующих устойчивость, производительность, ресурсоемкое^., степень экологической безопасности и т.д. Поэтому все чаще оказывается, что знаний, умений и навыков отдельного технолога недостаточно для успешного решения задач, связанных с подготовкой производства деталей методами механической обработки на оборудовании с ЧПУ. Как следствие этого возрастает плата за плохую согласованность цепочки решений, что выражается в увеличении продолжительности, трудоемкости и стоимости проектирования технологических операций, выполняемых на оборудовании с ЧПУ. Кроме того, в последнее время наблюдается дефицит квалифицированных технологов, владеющих всем арсеналом методов и средств, необходимых для разработки высокоэффективных технологических операций по механической обработке для оборудования с ЧПУ.
Именно поэтому возникла потребность в программных средствах, которое позволяли бы накапливать, хранить и предоставлять специалистам для использования проверенные на практике и специально подготовленные в компьютерной форме комплексы знаний по организации и реализации процессов проектирования технологических операций определенных классов (в нашем случае - это детали силового каркаса авиационных конструкций, получаемые механической обработкой на оборудовании с ЧПУ). Кроме того, эти средства должны предлагать готовые для применения на рецептурном уровне технологические решения, которые могут быть повторно включены в операционные технологии для всей гаммы деталей из данного класса с учетом предпочтительных параметров их реализации на оборудовании с ЧПУ. В качестве такого средства в настоящей работе рассматривается система автоматизированной поддержки информационных решений (САПИР) (рис. 1).
Основные причины, побудившие к созданию САПИР по проектированию технологических операций для механической обработки на оборудовании с ЧПУ, могут быть сформулированы следующим образом:
- высокая стоимость используемых основных средств современного производства в
машиностроении (оборудование с ЧПУ, PIM/CAD/CAE/CAM системы, координатно -измерительные машины (КИМ), специальная технологическая оснастка и т.д.);
і о.
-I 4>
І к
1 и
Информационно -
технологическая
среда:
-CAD/CAE/CAM;
- станок с ЧПУ;
-КИМ; -ЛВС.
ТЗна изготовление И детали
Предложение плана действий
Получение подсказки
Визуальное моделирование
Выдача результатов информационных решений
Управление
оперативной деятельностью
UJLU
Система
автоматизированной
поддержки
инфо рмационных
решений
Эбращени е за гомощъю для эешения задач ТИП
Передача данных в электронной форме на исполнение
Пополнение
САПИР
нормативно -
справочно й
информацией из
внешней среды
Архивировани е
выполненных
разработок
Обработанная деталь
Рис. 1. Роль и задачи системы автоматизированной поддержки информационных решений при интеллектуализации деятельности технолога по работе с оборудованием с ЧПУ
расширение класса проектируемых технологических операций, используемых при механической обработке на постоянно обновляемом производителями оборудовании с ЧПУ. В результате чего становится возможным выпуск принципиально новых классов деталей (например, с токарно - фрезерным типом обработки), ранее плохо подходящих для промышленного изготовления из - за отсутствия приемлемыхтехнологических решений;
максимизация степени полноты, достоверности и точности проектных решений в ходе компьютерного моделирования при разработке новых технологических операций (т.е. минимизация числа проектных решений, дорабатываемых по результатам натурных экспериментов с выходами для отладки процесса механической обработки заготовки на оборудовании с ЧПУ); это повышает производительность и снижает трудоемкость и стоимость технологической подготовки производства (ТПП) конкретных изделий;
необходимость использования в процессе ТПП множества согласованных между собой компьютерных моделей (3D - заготовка, 3D состояния системы «Станок -Приспособление - Инструмент - Деталь» (СПИД), динамически изменяющихся в ходе механической обработки и собственно 3D- деталь);
обеспечение наблюдаемости («прозрачности») процессов проектирования технологич еских о пер аций;
попытка снизить степень зависимости качества организации и реализации процессов проектирования технологических операций для оборудования с ЧПУ от уровня квалификации участвующих в проектировании и изготовлении исполнителей.
В качестве методологических основ исследований, используемых при построении САПИР для проектирования технологических операций на оборудование с ЧПУ, представляется целесообразным опираться на:
реинжиниринг, обеспечивающий возможность перехода от традиционного подхода к проектированию операционной технологии на «бумажных» носителях к компьютерным базам данных и знаний для автоматизированной поддержки информационных решений при работе на оборудовании с ЧПУ с использованием электронных форм подачи и представления документов;
аппарат компьютерного моделирования, базирующийся на теоретических основах решения задач технологии машиностроения, в ходе итерационных экспериментов на ЭВМ дает возможность установить с высокой степенью точности рабочие показатели ранее отлаженных технологич еских операций;
аппарат трехмерной графики, обеспечивающий на новом уровне решение сложных пространственных задач в ходе ТПП для оборудования с ЧПУ.
Рассматриваемая в диссертационной работе САПИР ориентирована на применение в опытно - экспериментальном производстве, обслуживающем научно-исследовательские институты (НИИ) и конструкторские бюро (КБ) авиационного профиля, и должна обеспечивать устойчивую работу в следующих условиях:
в каждый момент времени начинает (или продолжает) решаться не какая - либо одна задача по формированию операционной технологии для обработки на оборудовании с ЧПУ, а поток задач, для реализации которого используется большое количество единиц оборудования с ЧПУ;
продолжительность решения задач измеряется в общем случае десятками дней с прерываниями и возобновлениями процесса ТПП, многократными итерациями с уточняющимися геометрическими и технологическими параметрами, параллельной проработкой альтернативных вариантов решения и т.д.;
данные о полученных результатах, а также о самом процессе решения (составе технологов, использованных способах, инструментах и режимах) должны сохраняться с высокой степенью полноты и точности вплоть до принятия решения об уничтожении этой информации (обычно на практике - много лет);
каждая данная задача по формированию операционной технологии для оборудования с ЧПУ решается в общем случае более чем одним технологом - программистом, при этом в процессе решения в коллективе разработчиков могут происходить частичные или полные замены, пополнения или сокращения; члены коллектива разработчиков обладают существенно различающимися правами в отношении принятия и оценки важнейших р ешений;
в качестве субъектов проектирования, использующих САПИР, рассматриваются инженерно - технические и/или научно - технические работники НИИ и КБ, не имеющие специальной подготовки по созданию управляющих программ и применению оборудования с ЧПУ;
ресурсы САПИР не остаются во времени постоянными - в отдельные отрезки времени они могут обновляться и возрастать.
При производстве деталей силового каркаса возникает необходимость использования передовых научно - технических достижений (PLM/CAD/CAE/CAM системы, многофункциональное оборудование с ЧПУ и т.д.), малоизученных физических явлений (материалы для изготовления, высокоскоростная обработка и т.д.), новых технических и технологических решений (специальная технологическая оснастка, современный режущий инструмент и т.д.) повышает неопределенность в оценках технико - экономических показателей (сроки изготовления, стоимость и т.д.). В результате чего требуются повышенные объемы научно - исследовательских разработок, направленных на поиск рациональных решений для изготовления данного типа деталей. Именно поэтому во всем мире изготовление таких деталей относится к наукоемкому производству.
Целью данной работы является сокращение продолжительности и повышение качества и производительности процесса технологической подготовки производства наукоемких деталей на оборудовании с ЧПУ в условиях распределенной информационно -технологической среды (технолог + PLM/CAD/CAE/CAM системы + оборудование с ЧПУ + КИМ + локальная вычислительная сеть (ЛВС)), за счет перевода нормативно - справочной информации в компьютерный вид.
В качестве примера для демонстрации возможностей САПИР по накоплению и повторному использованию знаний в ходе ТПП для оборудования с ЧПУ выбрана обработка деталей силового каркаса авиационных конструкций в условиях опытно экспериментального производства.
Для достижения поставленной в работе цели потребовалось решить следующие задачи:
1. провести анализ процесса ТПП для производства деталей силового каркаса авиационных
конструкций на оборудовании с ЧПУ в опытно - экспериментальном производстве;
2. выявить особенности решения технологических задач при механической обработке
деталей силового каркаса в условиях использования распределенных PLM/CAD/CAE/CAM
систем при ТПП для оборудования с ЧПУ;
3. разработать требования к структуре и составу САПИР по ТПП деталей силового каркаса с
использованием оборудования с ЧПУ;
4. обосновать использование гипертекстовой и WEB - ориентированной формы
представления результатов решения задач по ТПП;
5. продемонстрировать возможности и эффективность использования электронной формы
представления и хранения результатов решения задач по ТПП для использования на
оборудовании с ЧПУ (на примере обработки деталей силового каркаса авиационного
назначения).
Научная новизна работы заключается в:
1. обосновании, разработке и использовании электронной интерактивно заполняемой
информационными единицами формы представления и подачи знаний с конструкторско -
технологической документацией для ТПП деталей, реализуемых на современном
оборудовании с ЧПУ в распределенной компьютерной среде;
разработке связей, позволяющих динамически формировать документы в распределенной компьютерной среде в виде гипертекстовой и WEB - ориентированной формы представления и подачи конструктор ско - технологической документации;
разработке обобщенной модели структуры и состава САПИР применительно к решению задач подготовки производства в условиях информационно - технологической среды (ИТС) и электронной интерактивно заполняемой формы представления и подачи знаний;
разработке методики решения задач по оперативному управлению коллективным режимом разработки и изготовления наукоемких изделий в условиях опытно - экспериментального производства и сохранения в электронном виде знаний на предприятии, которые накапливаются для последующего использования.
Практическая ценность работы состоит в разработке методического и информационного обеспечения САПИР по проектированию технологических операций для механической обработки на современном оборудовании с ЧПУ, а также методических указаний к лабораторным работам по курсу «Программирование станков с ЧПУ».
Реализация результатов работы. ТПП деталей силового каркаса авиационных конструкций согласно предлагаемым методическим рекомендациям проводилась более чем
для 15 проектов. Результаты работы внедрены в опытно - экспериментальном производстве ЗАО Н1И1 «Завод полимерно-композитных конструкций» (г. Жуковский).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
Международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и у правления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM - 2009)» (Москва, ИЛУ РАН, 2009);
Международных выставках «Softool» (2008-2009г., г. Москва);
- Между народных выставках «Металлообработка» (2009-2010г., г. Москва).
Материалы диссертационной работы были использованы в учебном процессе ГОУ
ВПО МГТУ «Станкин» при проведении лабораторных работ по курсу «Программирование станков сЧПУ».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научных работы, одна из которых выполнена в издании, входящем в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 102 наименований; изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 5 таблиц и 1 приложение.
