Бунаков П.Ю., Рудин Ю.И., Стариков А.В. Основы автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный университет леса

________________________________________________________________

П.Ю. Бунаков, Ю.И. Рудин, А.В. Стариков

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ

И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Учебник по дисциплине «Основы автоматизированного

проектирования изделий и технологических процессов»

(для студентов специальности 250303 − Технология деревообработки)

Москва

Издательство Московского государственного университета леса

2007

6Л2 Бунаков П.Ю., Рудин Ю.И., Стариков А.В. Основы автоматизированного проектиро-

вания изделий и технологических процессов. Учебник по дисциплине «Основы ав-

томатизированного проектирования изделий и технологических процессов» для

студентов специальности 250303 / Под ред. С.Н. Рыкунина. − М.: МГУЛ, 2007. –

194 с.: ил.

Учебник содержит теоретический материал для изучения дисциплины

«Основы автоматизированного проектирования изделий и технологических

процессов» (направление подготовки 656300 − Технология лесозаготовительных

и деревоперерабатывающих производств), отвечающий требованиям образо-

вательных стандартов Минобразования РФ 2000 г. и отражающий развитие

научно-технических подходов в предметной области указанной дисциплины по

состоянию на ноябрь 2007 г.

Разработан в соответствии с Государственным образовательным стандартом ВПО

(2000 г.) для направления подготовки 656300 на основе Примерной программы дисципли-

ны «Основы автоматизированного проектирования изделий и технологических процес-

сов» (2001 г.) для специальности 250303 (260200) − Технология деревообработки и отра-

жает современные научно-технических тенденции в предметной области рассматриваемой

дисциплины.

Рекомендован Учебно-методическим объединением по образованию в области лес-

ного дела в качестве учебника по дисциплине «Основы автоматизированного проектиро-

вания изделий и технологических процессов» для студентов, обучающихся по специаль-

ности 250303 − Технология деревообработки.

Рецензенты: Петровский В.С., доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель

науки и техники РФ, зав. кафедрой автоматизации производственных

процессов Воронежской государственной лесотехнической академии;

Сафин Р.Г., доктор технических наук, профессор, Заслуженный изобретатель

РТ и РФ, зав. кафедрой проектирования и дизайна мебели Казанского

государственного технологического университета

Авторы: Павел Юрьевич Бунаков, к.т.н., доц. кафедры автоматизации производства

и проектирования в машиностроении КИ (ф) МГОУ, ведущий специалист

ООО «Базис-Центр»;

Юрий Иванович Рудин, к.т.н., доц., проф. кафедры технологии лесопиления

МГУЛ;

Александр Вениаминович Стариков, к.т.н., доц., доц. кафедры вычислитель-

ной техники ВГЛТА

Оглавление

Стр.

Предисловие………………………………………………………………..

Введение…………………………………………………………………….

Глава 1. Ме

тодология построения САПР…………………………………

1.1. Общие замечания …………………………………………….........

1.2. Основные требования к САПР и средствам их реализации …….

1.2.1. Уровни автоматизации проектных ра

бот в САПР…............

1.2.2. Требования к объектам проектирования в САПР………….

1.2.3. Иерархия инвариантов в САПР ……………………………. 13

Вопросы для контроля ………………………………………………… 14

Глава 2. Системный подход в проектировании …………………………..

2.1. История развития системного подхо

да ..…………………………

2.2. Основные понятия теории систем и системного подхо

да…........

2.3. Системный подход и инженерная деятельность………………… 20

Вопросы для контроля ………………………………………………… 25

Глава 3. Классификация САПР ……………………………………………

3.1. Принципы классификации и примеры различных видов САПР 26

3.2. Виды обеспечения САПР…………………………………………. 37

Вопросы для контроля ………………………………………………… 41

Глава 4. Технические средства для конструкторских и технологичес-

ких САПР………………………………………………………......

4.1. Общие сведения …………………………………………………....

4.2. Требования к техническому обеспечению САПР и краткая ха-

рактеристика современных устройств ВТ……………………...

...

4.3. Многомашинные и многопроцессорные ВС………………...…...

4.4. Вычислительные сети……………………………………………...

4.5. Операционные системы для САПР. Основные функции и

состав ………………………………………………………………

Вопросы для контроля ………………………………………………… 54

Глава 5. Математические модели объектов проектирования ………….. 55

5.1. Понятие математического моделирования ………………………

5.2. Требования к математическим моделям в САПР………

………..

5.3. Виды математических моделей …….…………………………….

5.4. Математические модели на микро-, макро- и метауровне …….. 69

Вопросы для контроля ………………………………………………… 76

Глава 6. Некоторые задачи моделирования и оптимизации технологи-

ческих процессов деревообработки

………………………….

6.1 Задача оптимальной загрузки деревообрабатывающего обо-

рудования ………………………………………….…………….

6.2. Оптимальный выбор технологического оборудования для

производства цельных клееных заготовок .........……………...

Вопросы для контроля ………………………………………………… 95

Глава 7. Автоматизированное проектирование мебельных изделий …...

7.1. Обзор существующих САПР корпусной мебели …..…………… 98

7.2. Автоматизация проектирования корпусной мебели средствами

САПР БАЗИС ……………………………………………………...

103

7.3. Перспективы развития САПР мебельных изделий ……...………

112

Вопросы для контроля ………………………………………………… 117

Глава 8. Автоматизированное проектирование технологически процес-

сов производства пиломатериалов ………………………………

118

8.1. Некоторые понятия технологии лесопиления ….……………….

119

8.2. Основы теории раскроя пиловочного сырья ….…………………

120

8.3. Расчет поставов на ЭВМ ….……………………………………… 126

8.3.1. Алгоритм расчета поставов при распиловке бревен с бру-

совкой ………………………………………………………...

128

8.3.2. Автоматизированный расчет оптимальных поставов ……. 130

8.3.3. Примеры программ автоматизации расчета поставов …….

135

Вопросы для контроля ………………………………………………… 141

Глава 9. Автоматизированное проектирование технологических опера-

ций и процессов изготовления мебели ……………………….…

141

9.1. Автоматизация раскроя материалов ……….……………………..

148

9.2. Общие сведения о числовом прог

раммном управлении ………..

152

9.3. Управляющие программы для станков с ЧПУ………...…………

156

9.4. Расчет производственных мощностей …………………………... 163

Вопросы для контроля ………………………………………………… 165

Глава 10. Автоматизация прочностных расчетов параметров корпус-

ной мебели ………………………………………………………

166

10.1. Системы автоматизации расчетных задач …..…………………

166

10.2. Методика автоматизации прочностных расчетов …..…………

171

Вопросы для контроля ………………………………………………… 175

Глава 11. Специфические задачи автоматизации проектирования в де-

ревообработке …………………………………………………..

175

11.1. Функционально-стоимостный анализ …….……………………

175

11.1.1. История развития функционально-стоимостного анали-

за ……………………………………………………………

177

11.1.2. Принципы функционально-стоимостного анализа …….. 180

11.2. САПР технологии лесопиления ……….………………………..

181

11.2.1. Структура и функции перспективной САПР технологии

лесопиления ………………………………………………..

182

11.2.2. Функционирование САПР технологии лесопиления …... 184

Вопросы для контроля ………………………………………………… 185

Приложение. Выдержки из Государственного образовательного стан-

дарта высшего профессионального образования и Примерной про-

граммы дисциплины «Основы автоматизированного проектирова-

ния изделий и технологических процессов» …………………………

186

Библиографический список ………………………………………………. 190

Предисловие

До настоящего времени − с момента ввода в действие новых образова-

тельных стандартов высшего профессионального образования (ГОС ВПО)

Российской Федерации в 2000-м году − отсутствует учебник по дисциплине

«Основы автоматизированного проектирования изделий и технологических

процессов» (специальность 250303 − Технология деревообработки). Отчасти

это обусловлено достаточно широкой и актуальной предметной областью, а

также синтетическим характером рассматриваемой дисциплины при сравни-

тельно малом общем объеме учебной нагрузки (100 часов), предусмотренном

ГОС для дисциплины в рамках данной специальности.

Чтобы восполнить этот пробел, по инициативе зав. кафедрой техноло-

гии лесопиления и деревообработки МГУЛ д.т.н., проф. С.Н. Рыкунина был

создан многопрофильный авторский коллектив, состоящий из сотрудников

ООО «Базис-Центр» (г. Коломна), Московского государственного универси-

тета леса и Воронежской государственной лесотехнической академии

(ВГЛТА).

Основные усилия авторского коллектива были направлены на создание

в значительной степени систематизированного учебного материала, отве-

чающего требованиям ГОС ВПО (см. Приложение), базирующегося на фун-

даментальных источниках по системам автоматизированного проектирова-

ния (САПР), а также на публикациях, посвященных современным компью-

терным программным системам по автоматизированному конструированию

мебели, столярных оконных и дверных блоков, автоматизированному расче-

ту поставов и управляющим технологическим программам для оборудования

с числовым программным управлением (ЧПУ).

Прежде всего, данный учебник нацелен на подготовку эрудированных

специалистов − пользователей проблемно-ориентированных САПР, имею-

щих конкретные знания по методологии построения САПР, уровням автома-

тизации проектирования, рациональной технической и программной реали-

зации САПР, математическому моделированию объектов проектирования

разной сложности, базам данных и знаний, используемых в САПР. Подобные

знания позволят будущим инженерам-технологам производить рациональ-

ный выбор технических средств, системного и прикладного программного

обеспечения для решения конкретных производственных задач, а также про-

фессионально эксплуатировать САПР, используемые на конкретных пред-

приятиях.

В учебнике отражено также развитие научно-технических подходов в

предметной области указанной дисциплины по состоянию на ноябрь 2007 г.

Учебник включает в себя Введение, 11 глав и Приложение, аннотация к

которым приведена ниже.

Введение содержит краткий материал по вопросам целесообразности,

необходимости и областям применения автоматизированного проектирова-

ния. Приводится содержание предметной области автоматизации проекти-

рования как научно-технической дисциплины, а также определяется спектр

проблемных задач в области технологии лесопиления и деревопереработки

для автоматизации проектирования.

Глава 1 включает в себя вопросы методологии построения систем ав-

томатизированного проектирования и виды обеспечения САПР.

Глава 2 детально раскрывает понятие системного подхода в проекти-

ровании, как методику правильной постановки задачи, методологию научно-

го познания и практической деятельности, основанные на представлении лю-

бого объекта в виде целостной системы: инженерной, экономической, соци-

альной и т.д.

В главе 3 дается классификация САПР применительно к различным

критериям с детальными характеристиками и особенностями рассмотренных

разновидностей автоматизированных систем.

В главе 4 приводятся сведения по структуре и конкретной реализации

технических средств, используемых при создании конструкторских и техно-

логических САПР. Рассматриваются многомашинные и многопроцессорные

вычислительные системы, вычислительные сети и операционные системы,

используемые при реализации САПР.

В главе 5 рассматриваются математические модели технических объек-

тов, в том числе, используемые в САПР при моделировании на микро-, мак-

ро- и метауровнях, приводятся частные задачи, решаемые с их помощью.

В главе 6 рассматривается ряд частных задач, связанных с моделирова-

нием и оптимизацией управления технологическими процессами деревооб-

работки, а также общие подходы, методы и практические рекомендации к их

решению.

Глава 7 посвящается вопросам автоматизированного проектирования

мебельных изделий. Рассматриваются функциональные возможности наибо-

лее известных отечественных САПР корпусной мебели, приведен пример ав-

томатизированного проектирования мебели средствами САПР БАЗИС, сфор-

мулированы перспективы развития САПР мебельных изделий.

В главе 8 излагаются вопросы автоматизированного проектирования

технологических процессов производства пиломатериалов. Рассмотрены тео-

ретические подходы при автоматизированном расчете поставов для различ-

ных способов распиловки бревен. Приведены характеристики отечественных

компьютерных программ для автоматизированного расчета поставов, а также

подробно рассмотрена работа с программой Раскрой 4.15 .

В главе 9 приводятся материалы по автоматизированному проектиро-

ванию технологических операций и процессов изготовления корпусной ме-

бели, в том числе, общие вопросы технологической подготовки производст-

ва, автоматизация подготовки карт раскроя материалов для производства ме-

бели на примере САПР БАЗИС, общие сведения о числовом программном

управлении и об управляющих программах для станков с ЧПУ, а также во-

просы расчета производственных мощностей.

Глава 10 отражает общее состояние вопросов, связанных с автомати-

зацией прочностных расчетов параметров корпусной мебели. Рассматрива-

ются системы автоматизации прочностных расчетных задач, предлагаются

методика автоматизации прочностных расчетов для корпусной мебели и

пример ее использования.

В главе 11 предлагаются специфические задачи автоматизации проек-

тирования в деревообработке (функционально-стоимостный анализ и САПР

технологии лесопиления), знакомство с которыми предполагается полезным.

В приложении приведены выдержки из Государственного образова-

тельного стандарта высшего профессионального образования (2000 г.) и

Примерной программы (2001 г.) дисциплины «Основы автоматизированного

проектирования изделий и технологических процессов».

Примечание. В тексте учебника мелким шрифтом выделен материал,

расширяющий сведения по вопросам, рассматриваемым в конкретной главе

или ее разделах, но не обязательный к включению в учебный процесс.

Введение

Под проектированием понимают процесс направленного действия про-

ектировщика, необходимый для выработки технических решений, достаточ-

ных для реализации создаваемого объекта, удовлетворяющего заданным тре-

бованиям. Завершающим этапом проектирования является выпуск комплекта

документации, отображающей принятые решения в форме, необходимой для

производства объекта проектирования.

Автоматизация проектных работ призвана обеспечить существенное

ускорение процесса проектирования с использованием вычислительной тех-

ники и вычислительных методов.

Автоматизация проектирования возникла на базе достижений конкрет-

ных научно-технических направлений, вычислительной техники и вычисли-

тельной математики.

В конкретных научно-технических направлениях были разработаны и

получили свое дальнейшее развитие принципы построения технических объ-

ектов, приемы и типовые последовательности выполнения проектных задач,

системы основных понятий, терминов, классификаций и оценок проектируе-

мых объектов.

Методы вычислительной математики позволили алгоритмизировать и

автоматизировать ряд проектных процедур, имеющих известную математи-

ческую интерпретацию, но многообразие проектных задач требует разработ-

ки все новых математических моделей, методов и алгоритмов, что в значи-

тельной мере определяет содержание теории автоматизации проектирования

(АП).

Особенностью АП является существование задач, возможности реше-

ния которых без принятия упрощений, декомпозиции их на ряд задач прием-

лемой сложности находятся за пределами возможностей как существующей

вычислительной техники, так и ожидаемой в обозримом будущем. Поэтому

при построении крупных САПР применяют ЭВМ предельной производи-

тельности.

Приспособление задач к возможностям имеющейся вычислительной

техники осуществляют как разделением процессов проектирования на ряд

иерархических уровней и аспектов, так и сохранением за человеком в САПР

функций, которые не могут быть выполнены формальными методами с при-

емлемыми затратами времени и средств. Такие подходы приводят к форми-

рованию САПР как человеко-машинной системы, в которой к аппаратно-

программным средствам предъявляется ряд специфических требований.

Кроме устройств программной обработки данных необходимы устрой-

ства оперативного обмена информации, средства отображения, ввода/вывода

и документирования текстовой и графической информации, архива проект-

ных решений, хранения информации в виде базы знаний, отражающей нако-

пленный опыт проектирования.

Средства взаимодействия человека и ЭВМ должны быть многократно

продублированы и входить в состав рабочих мест оператора ЭВМ, инженера,

разработчика, проектировщика.

Вопросы организации совместного функционирования разнообразных

и многочисленных технических средств в составе САПР образует важный

раздел теории автоматизации проектирования как в части аппаратного, так и

программного обеспечения.

Таким образом, автоматизация проектирования как научно-техни-

ческая дисциплина включает в себя [1, 2]:

1. Методологию АП (систему взглядов на научно-техническую про-

блему);

2. Математическое обеспечение (математические модели, методы и

алгоритмы для выполнения различных проектных процедур);

3. Вопросы комплексирования технических средств и разработки спе-

циализированной аппаратуры для САПР;

4. Вопросы разработки и использования системного и прикладного

программного, лингвистического, информационного видов обеспе-

чения для ЭВМ, а также методического и организационного – для

пользователей ЭВМ.

Применение ЭВМ для автоматизации решения инженерных задач на-

чалось сразу же после появления первых ЭВМ. При этом разработчик (или

коллектив высококвалифицированных специалистов) выполнял трудоемкую

подготовку проблемно-ориентированных задач к решению, заключающуюся

в создании математической модели объекта проектирования, выборе числен-

ного метода, разработке алгоритма и записи его на одном из языков про-

граммирования.

В отличие от такого использования ЭВМ, в системах автоматизирован-

ного проектирования почти все из перечисленных операций автоматизирова-

ны и выполняются на ЭВМ с помощью заранее разработанного прикладного

программного обеспечения, рассчитанного на многократное применение при

решении определенного класса задач. От пользователя (теоретика, инженера,

технолога и др.) требуется лишь описать исходные данные задачи на про-

блемно-ориентированном языке, запустить процесс обработки конкретной

прикладной программы и после завершения обработки (либо в диалоговом

режиме в процессе обработки) произвести оценку результатов и принять тех-

ническое решение.

Первые САПР в нашей стране были созданы в начале 1960-х годов в

области радиоэлектроники, электронной техники, строительной механики,

самолетостроения, оборудования с числовым программным управлением.

На базе разработанных САПР в указанных выше научно-технических

областях стали разрабатываться САПР и в области технологии деревообра-

ботки применительно к конкретным проблемам повышения эффективности и

качества работы лесозаготовительных и деревоперерабатывающих произ-

водств.

Среди проблемных задач в этой области выделяют следующий спектр

задач для автоматизации проектирования:

• Проектирование цехов и участков лесопильных производств, наце-

ленное на реализацию оптимального (рационального) технологиче-

ского процесса деревообработки с учетом выбранного лесопильного

и вспомогательного оборудования.

• Разработка поставов с учетом длины бревен, различного сортамента

распиловки, способов распиловки, объемных и стоимостных коэф-

фициентов, кубатурника и ряда технологических требований.

• Автоматизированное конструирование корпусной мебели с разра-

боткой необходимой конструкторской и технологической докумен-

тации.

• Разработка управляющих технологических программ для лесопиль-

ного и деревообрабатывающего оборудования с ЧПУ.

• Разработка конструкторской и технологической документации для

производства столярных оконных и дверных блоков.

• Задачи функционально-стоимостного анализа (ФСА) для анализа

эффективности деятельности предприятия или отдельных его под-

разделений.

• Построение САПР технологии лесопиления для автоматизированно-

го проектирования производственных процессов лесопиления и

технико-экономической оценки их оптимальности.

• Другие задачи, возникающие по мере компьютеризации лесопиль-

ного и деревообрабатывающего оборудования, а также в связи с по-

явлением экономических и технических условий для автоматизации

решения задач в различных сферах научно-технического направле-

ния технологии деревообработки.

Приведенный ниже материал раскрывает в систематизированной форме

как общетеоретические вопросы автоматизированного проектирования, так и

методы решения конкретных прикладных задач технологии деревообработки

с помощью ЭВМ.

Глава 1

Методология построения САПР

1.1. Общие замечания

Под методологией понимают систему взглядов на научно-техни-

ческое направление или проблему по принципам построения, структуре, ло-

гической организации, методам и средствам функционирования.

С учетом этого автоматизация проектных работ призвана обеспечить

их выполнение с использованием вычислительной техники и вычислитель-

ных методов.

Опыт создания средств автоматизации проектирования (АП) показыва-

ет, что имеется две основных группы факторов, определяющих их использо-

вание [3]:

• Совершенствование методов проектирования на основе математиче-

ского моделирования и автоматизации поиска решений.

• Замена наиболее трудоемких проектных работ формальными про-

граммными операциями. К таким работам относятся работы по

формированию и выпуску конструкторской и технологической до-

кументации.

Рассмотрим эти факторы более подробно. Обычно в процессе неавто-

матизированного выполнения проектных работ необходима проверка прини-

маемых технических решений. Поэтому, как правило, проектирование сопро-

вождается созданием лабораторного натурного макета, которое является од-

ной из наиболее трудоемких процедур. В этой связи замена натурного маке-

та математической моделью при условии адекватности ее натурному ма-

кету является одной из главных задач САПР.

Натурные испытания уже созданного объекта также можно заме-

нить математическим моделированием.

Математическое моделирование удешевляет и ускоряет процесс довод-

ки изделия, а также повышает качество эксперимента за счет его массовости.

Формирование технических решений является главным содержанием

процесса проектирования. Наличие математической модели объекта проек-

тирования позволяет автоматизировать процесс синтеза решений на осно-

ве использования специальных проектных процедур интерактивного (в ре-

жиме диалога с ЭВМ) и автоматического поиска проектных решений.

Конструкторское и технологическое проектирование является нетради-

ционным направлением в АП. В состав работ по конструкторскому и техно-

логическому проектированию входит выпуск огромного количества техниче-

ской документации как в традиционной «бумажной», так и в «безбумажной»

форме для автоматизированных производств. В машиностроении и радио-

электронике объем работ по выпуску документации занимает по трудоемко-

сти от 40 до 70 % общего объема проектных работ [4].