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

Подождите немного. Документ загружается.

141

Рис. 8.14. Диалоговое окно Менеджера заданий

Вопросы для контроля

1. Что включает в себя задача многостадийного раскроя лесоматериалов? В

чем состоит сложность автоматизации решения этой задачи?

2. Что называется поставом в технологии лесопиления? Дайте определение и

приведите примеры использования различных видов поставов.

3. В чем заключаются главные цели разработки теории раскроя пиловочного

сырья на пиломатериалы?

4. Каковы основные задачи, решаемые с помощью технологических про-

грамм для расчета поставов на ЭВМ?

5. Кратко опишите основное содержание алгоритма расчета неполного по-

става при брусоразвальном способе раскроя пиловочных бревен.

6. Что понимается под оптимальным поставом? Каково содержание двухпро-

ходного алгоритма для расчета оптимального постава при брусоразваль-

ном способе раскроя пиловочных бревен?

7. Перечислите основные функциональные возможности программы Раскрой

4.15, автоматизирующей расчет поставов при брусоразвальном или раз-

вальном способе раскроя пиловочных бревен.

Глава 9

Автоматизированное проектирование технологических

операций и процессов изготовления мебели

Под технологической подготовкой производства (ТПП) понимается

совокупность методов организации, управления и решения технологических

задач, которые должны обеспечить высокую производительность, надеж-

ность, качество и эффективность изготовления изделий. В условиях автома-

тизированного производства она предполагает эффективное использование

различных математических моделей и средств вычислительной техники для

комплексного решения производственно-технических задач, стоящих перед

конкретным предприятием.

142

ТПП является наиболее ответственной и трудоемкой частью техниче-

ской подготовки производства, удельный вес которой составляет от 30…40 %

общей трудоемкости технической подготовки в условиях мелкосерийного

производства и до 50…60 % в условиях массового производства. Трудоем-

кость технологического проектирования в большинстве случаев значительно

превосходит трудоемкость конструирования изделий, при этом сам процесс

значительно труднее формализуется, имеет большую вариантность проект-

ных решений и, кроме того, сопровождается подготовкой большего объемов

документов [40].

Основная задача ТПП состоит в полном обеспечении технологической

готовности предприятия к выпуску новой продукции, соответствующей за-

данным технико-экономическим критериям (высокое качество изготовления,

функциональность, безопасность, планируемый объем производства, требуе-

мый технический уровень, минимальные трудовые и материальные издержки

и т.д.). Для ее решения необходима реализация следующих проектных опе-

раций:

• отработка изделий на технологичность;

• проектирование технологической оснастки;

• проектирование и типизация технологических процессов (ТП),

включая разработку управляющих программ (УП) для станков с

ЧПУ;

• формирование оптимальных карт раскроя материалов;

• нормирование изготовления изделий;

• выпуск технологической документации;

• технологическое оснащение производства;

• оперативное управление подготовкой производства.

Структура автоматизированной системы ТПП (АСТПП) и ее место сре-

ди других автоматизированных систем показаны на рис. 9.1.

Исходной базой для организации ТПП являются следующие докумен-

ты и нормативные показатели [40]:

• полный комплект конструкторской документации (КД) на новое из-

делие (математическая модель);

• планируемый годовой объем выпуска продукции при условии мак-

симальной загрузки производственных мощностей;

• планируемый режим работы предприятия (коэффициент сменности,

фонд рабочего времени);

• планируемый коэффициент загрузки оборудования в условиях вы-

бранной стратегии организации ремонтных и профилактических ра-

бот;

• возможность реализации части производственной программы по

кооперации (изготовление и поставка стандартных элементов изде-

лий, специфических материалов и комплектующих);

• предполагаемые рыночные цены новой продукции в контексте об-

щей ценовой политики предприятия;

143

• стратегия минимизации производственных рисков (запасы материа-

лов и комплектующих, наличие дублирующего оборудования).

Рис. 9.1. Структура АСТПП

Технологический процесс (ТП) представляет собой ранжированную

(упорядоченную) последовательность операций, необходимую для проведе-

ния подготовительных работ, всех видов обработки, сборки и контроля изде-

лий. Исходными данными для формирования ТП в общем случае являются

конструкторская документация (математическая модель изделия при автома-

тизированном проектировании), описание объекта производства, оборудова-

ния предприятия, приспособлений и инструмента (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Схема формирования ТП

144

Технологический процесс описывается совокупностью документов

различного уровня. Нижним уровнем является операционная технологиче-

ская карта. Более высоким уровнем технологической документации (ТД)

является маршрутная технологическая карта, связанная с планированием

операционного маршрута движения объекта производства внутри участка,

цеха, завода или фирмы. Технологические карты контроля предназначены

для контроля соответствия изготавливаемого объекта требованиям техниче-

ских условий (ТУ) после каждой операции и по завершении всех операций.

При автоматизированном проектировании основой разработки ТП яв-

ляется математическая модель изделия, формируемая на этапе конструирова-

ния. Общей особенностью автоматизации технологического проектирования

является недостаточная информация о закономерностях этого процесса и

большой удельный вес субъективного фактора.

Для автоматизации ТП наиболее подходящим является итерационный

многоуровневый метод, при котором весь процесс разделяется на три взаи-

мосвязанных этапа, характеризующихся последовательным возрастанием

степени детализации принимаемых решений:

• принципиальный этап, на котором разрабатывается общая струк-

турная схема технологического процесса;

• маршрутный этап, на котором формируется технологический

маршрут обработки деталей и определяется их состояние по завер-

шении каждой операции;

• операционный этап, на котором детализируются переходы по каж-

дой операции и формируются управляющие программы для станков

с ЧПУ.

В настоящее время существует два подхода (метода) реализации

АСТПП:

• метод адресации (системы поискового типа), который основан на

принципах унификации;

• метод синтеза (системы генерирующего типа), предусматриваю-

щий синтез каких-либо структур.

АСТПП поискового типа используют принципы классификации и ко-

дирования проектных процедур и соответствующих компонентов изделия

или всего изделия в целом. Используемые элементы группируются в семей-

ства в соответствии со своими технологическими характеристиками, при

этом для каждого семейства формируется обобщенный план производствен-

ного процесса (типовой или групповой ТП), который заносится в базу дан-

ных. При проектировании ТП деталь или изделие относится к одному из ра-

нее образованных семейств, после чего из БД извлекается соответствующий

ТП. При применении систем поискового типа необходимо, чтобы при изго-

товлении изделий не использовались те операции и переходы, которые не

предусмотрены унифицированным ТП.

145

Идея типизации ТП впервые была предложена проф. А.П. Соколов-

ским

. Типизация – это создание процессов обработки групп конструктивно

и технологически подобных деталей. В основу методики типизации, разрабо-

танной А.П. Соколовским, положена классификация деталей по следующим

признакам [40]:

• форма (конфигурация) детали и ее геометрические размеры;

• точность и качество обрабатываемых поверхностей;

• материал, из которого изготавливается деталь.

Для обработки изделий, принадлежащих к одному классу, т.е. изделий

с общими конструктивными и технологическими признаками, разрабатыва-

ются типовые ТП. Проектирование нового ТП на базе типового реализуется

путем редактирования параметров отдельных переходов или операций, ис-

ключения неиспользуемых операций или добавления новых.

Другим методом, на основе которого могут разрабатываться АСТПП

поискового типа, является групповой метод обработки, предложенный проф.

С.П. Митрофановым

. Он представляет собой такой способ унификации ТП,

при котором для групп изделий, однородных по определенным конструктив-

но-технологическим признакам, разрабатываются однотипные методы обра-

ботки с использованием быстропереналаживаемых орудий производства [41].

Несмотря на внешнее сходство двух подходов, принципиальное разли-

чие между ними заключается в том, что типовые ТП характеризуются общ-

ностью последовательности и содержания операций при обработке типовой

группы изделий, в то время как групповая технология характеризуется общ-

ностью оборудования и технологической оснастки при выполнении отдель-

ных операций. Групповая технология не предполагает полного подобия опе-

раций для всех деталей группы, они могут иметь отличия в технологическом

маршруте, структуре операций, объеме работ по операциям и т.д. Другими

Соколовский А.П. (1890-1954) – профессор Ленинградского политехнического уни-

верситета (ныне Санкт-Петербургский государственный политехнический университет),

сыгравший видную роль в становлении отечественной школы машиностроения. Под его

руководством были заложены и разработаны основные направления технологической нау-

ки: жесткость в технологии машиностроения; нелинейные колебания при резании метал-

лов; расчеты точности и адаптивное управление технологическими процессами; типиза-

ция технологических процессов и групповые методы обработки. А.П. Соколовский явля-

ется автором первого учебника по машиностроению «Технология машиностроения».

Митрофанов С.П. (1915-2003) – доктор технических наук, профессор кафедры техноло-

гии приборостроения Санкт-Петербургского института точной механики и оптики, лауре-

ат Ленинской премии, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, является автором

группового метода (групповой технологии), принесшего ему широкую известность в на-

шей стране и за рубежом. Применение этого метода на разных предприятиях позволило

значительно сократить сроки и затраты на освоение и выпуск новых изделий, повысить

гибкость, эффективность производства, его восприимчивость к новациям. Групповой ме-

тод и имя его создателя вошли в перечень 26 важнейших достижений за всю историю ма-

шиностроения, приведенный в энциклопедическом учебнике для университетов Англии,

США и Канады.

146

словами, групповой ТП представляет собой ТП изготовления изделий с раз-

ными конструктивными, но общими технологическими признаками.

При использовании АСТПП поискового типа процесс проектирования

ТП включает в себя следующие этапы [42]:

• отнесение детали к определенному классу, формирование кода и

ввод его на вход системы;

• поиск семейства элементов, соответствующих данному коду;

• извлечение из БД типового или группового ТП;

• выявление и редактирование отдельных технологических процедур;

• форматирование полученного ТП и формирование документов.

АСТПП генерирующего типа применят при проектировании единич-

ных, типовых или групповых ТП. Характерной особенностью таких систем

является наличие этапов автоматического или автоматизированного синтеза

планов производственного процесса на основе анализа математической мо-

дели изделия. Различают три подхода к построению АСТПП генерирующего

типа:

• с технологическим процессом-прототипом;

• с отдельными частями технологических процессов-прототипов;

• без прототипов.

Методы синтеза на базе ТП-прототипов имеют некоторое сходство с

методом адресации. Отличие заключается в следующем:

• ТП-прототипы не содержат всего набора элементов технологиче-

ского процесса обработки изделия, т.е. их структура существенно

отличается от структуры типовых или групповых ТП;

• в процессе проектирования ТП обработки конкретного изделия ре-

шается задача синтеза его структуры в ручном режиме (техноло-

гом), автоматическом режиме (вычислительной системой без непо-

средственного участии человека) или автоматизированном режиме

(интерактивное взаимодействие человека с компьютером);

• содержание технологической БД совершенно другое: помимо типо-

вых и групповых ТП в ней должны храниться данные и о единичных

ТП.

АСТПП без прототипов являются наиболее сложными, поскольку

предполагают проектирование технологических маршрутов и операций, ба-

зируясь только на общих принципах и закономерностях технологического

проектирования. Такие системы должны формировать рациональные планы

обработки изделий на основе анализа их геометрии, материалов и других

факторов, влияющих на технологию производства. Задачи формализации за-

кономерностей технологического проектирования и критериев оценки опти-

мальности ТП в настоящее время решены в очень ограниченном объеме, по-

этому генерирующие АСТПП не обладают достаточной универсальностью и

используются только для ограниченного круга производственных процессов.

В абсолютном большинстве случаев на различных этапах технологического

проектирования требуется участие технолога в качестве лица, принимающего

147

решения. Однако по мере развития научных основ технологии и теории при-

нятия решения доля генерирующих АСТПП будет неуклонно повышаться

[43].

Параллельно с проектированием ТП изготовления изделия выполняет-

ся проектирование режущего и измерительного инструмента, а также техно-

логической оснастки – совокупности приспособлений, дополняющих основ-

ное оборудование для выполнения ТП производства (рис. 9.3). Оснастка мо-

жет быть конкретной для данного изделия или унифицированной, т.е. ориен-

тированной на группу или класс изделий.

В непоточном производстве преимущественно используется унифици-

рованная оснастка, которая не только

обеспечивает заданную точность изготовления изделия, но и дает возмож-

ность закрепления, точного ориентирования в координатной системе обору-

дования и свободного доступа инструмента для обработки широкой номенк-

латуры заготовок.

Рис. 9.3. Общая схема проектирования ТП изготовления изделия

Разработка технологической оснастки в автоматизированном режиме

обычно выполняется в следующей последовательности:

• описание служебного назначения оснастки;

• разработка принципиальной схемы конструкции;

148

• формирование математической модели оснастки;

• точностной и силовой расчет конструкции;

• проектирование ТП изготовления оснастки;

• изготовление оснастки.

9.1. Автоматизация раскроя материалов

Важной частью технологической подготовки производства в мебельной

и деревообрабатывающей промышленности является раскрой материалов:

линейный и площадной – в производстве корпусной мебели; объемный – при

распиловке бревен. Она заключается в размещении плоских (линейных) или

объемных геометрических объектов, соответствующих исходным заготов-

кам, на листах или в объеме материала.

Алгоритмы оптимального раскроя хорошо формализуются, поэтому

существует большое количество соответствующих прикладных программ.

Карты раскроя материалов (графическое представление расположения заго-

товок) являются технологическими инструкциями для операторов, выпол-

няющих физическую операцию раскроя на имеющемся оборудовании.

Структура задачи раскроя материалов в мебельном производстве показана на

рис. 9.4.

Рис. 9.4. Структура задачи раскроя материалов

На выходе задачи раскроя формируются четыре группы элементов,

различающихся по своему функциональному назначению:

• заготовки текущего периода, предназначенные для изготовления

данного изделия;

149

• заготовки будущих периодов, которые будут оприходованы на склад

полуфабрикатов и использованы для других изделий;

• обрезки (деловые отходы) – листы материала, размер которых до-

пускает их дальнейшее использование;

• отходы, подлежащие утилизации.

На современных мебельных и деревообрабатывающих предприятиях

широко применяются станки с ЧПУ и обрабатывающие центры. Это приво-

дит к появлению еще одной задачи технологической подготовки производст-

ва: проектированию управляющих программ, которые представляет собой

наборы команд – инструкций для оборудования с ЧПУ, необходимые для

выполнения той или иной производственной операции. Трудоемкость этого

процесса можно значительно уменьшить, если организовать автоматическую

передачу геометрической информации из математической модели изделия

через специальный модуль непосредственно в систему управления станка.

Различают раскрой чистовых и черновых заготовок. Если после рас-

кроя в процессе последующих операций размеры детали не будут меняться,

целесообразно проводить чистовой раскрой. Например, раскрой ламиниро-

ванных ДСтП с последующей операцией облицовывания кромок. Если же

последующие операции будут менять размеры или форму детали, производят

черновой раскрой. Например, раскрой ДСтП с последующим облицовывани-

ем пласти и опиливанием в размер.

Разница в размерах между чистовым размером и размером черновой

заготовки называется припуском. Она определяется составом технологиче-

ских операций, которые должна пройти заготовка после раскроя, параметра-

ми оборудования для выполнения этих операций и видом раскраиваемого

материала.

Качество составленных карт раскроя плитного и листового материалов

оценивается следующими параметрами:

• процент полезного выхода материала;

• комплектность получаемых при раскрое панелей в соответствии с

объемом производства;

• минимальная трудоемкость процесса раскроя.

Коэффициент полезного выхода материала (коэффициент использо-

вания материала – КИМ) рассчитывается как отношение суммы площадей

полученных панелей к сумме площадей полноформатных листов (плит):

(%)100

⋅

∑

K .

Процент полезного выхода рассчитывается с учетом того, что остатки

полноформатных листов, не используемые для данного изделия, но имеющие

достаточные размеры, могут быть использованы для раскроя материала при

последующих работах. Другая часть остатков подлежит утилизации. Коэф-

фициент использования материала во многом зависит от набора типоразме-

150

ров деталей. Например, трудно достичь хорошего результата, если весь ком-

плект деталей имеет большие размеры, не укладывающиеся кратно в размер

полноформатной плиты.

Второй критерий качества карт раскроя при разработке с помощью ав-

томатизированных систем не требует оценки. Комплектность всех деталей,

необходимых для обеспечения плана выпуска изделий, обеспечивается авто-

матически при передаче моделей изделий из модуля конструирования в мо-

дуль раскроя.

Создание карт раскроя, реализация которых требует минимальных тру-

дозатрат, – обязательное требование для технолога. Менее трудоемкой, а

значит и более технологичной картой, будет та, для которой следующие по-

казатели принимают минимальные значения:

• количество поворотов панелей на станке;

• количество установок размеров;

• количество карт раскроя;

• количество резов;

• общая длина резов.

Минимизация общего количества поворотов панелей позволяет сфор-

мировать карты раскроя, которые обеспечивают минимальную трудоемкость

и время выполнения физического раскроя. Поскольку форматно-раскройные

станки и пильные центры реализуют прямые сквозные резы, то возникает не-

обходимость поворота отрезаемых полос. При автоматическом развороте это

занимает лишнее время, а при ручном – дополнительно увеличивает затраты

ручного труда.

Для объяснения смысла параметра «количество установок размеров»

необходимо пояснить, как выполняется раскрой на станке. Оператор, исходя

из размеров отрезаемых полос на картах раскроя, устанавливает специальные

приспособления (упоры), которые обеспечивают необходимый размер. Каж-

дый новый размер полосы требует переустановки упоров, которая требует

времени и, естественно, выполняется с некоторой погрешностью. Две заго-

товки одинаковых размеров, но полученные при разных установках упоров,

будут отличаться друг от друга, что может сказаться на качестве изделия.

На первый взгляд, кажется, что этот параметр дублирует предыдущий,

однако это совсем не так. Приведем простой пример: надо раскроить лист

размером 1500×2000 на заготовки размером 300×300. Здесь количество уста-

новок размеров равно единице, а вот количество поворотов – никак не мень-

ше пяти.

Критерий минимизации количества установок размеров группирует за-

готовки с одинаковыми размерами для того, чтобы пилить их при одной ус-

тановке упоров. В этом случае даже при наличии погрешности она будет

одинаковой для всех заготовок, а это, как правило, незаметно.

Минимизация значения параметра «количество карт раскроя» позволя-

ет формировать такие карты, которые будут реализовываться за максимально

короткое время. Это связано с двумя основными факторами: