Интеграция CAD и CAMСпроектированная деталь воплощается в готовый

Интеграция CAD и CAM

Спроектированная деталь воплощается в готовый продукт средствами производства. Автоматизация производства обеспечивается соответствующим программным обеспечением (CAM software). Таких программных продуктов существует достаточно много. В состав типичного пакета САМ входит система автоматизированной технологической подготовки производства (computer-aided progress planning - CAPP), система числового управления (NC software), позволяющая изготавливать деталь при помощи станков с ЧПУ, программы контроля и программы управления роботами, используемые, соответственно, на этапах проверки и сборки.

Производители многих коммерческих систем CAD/CAM преувеличивают выгоды от их использования. Реальная выгода гораздо меньше по причине низкой степени их интеграции. Для повышения производительности и обеспечения выживания на глобальных рынках необходимо повышение интеграции. Первоочередной задачей является полная автоматизация технологической подготовки производства, потому что эта фаза связывает проектирование и производство. Сегодня основные усилия исследователей направлены на создание, усовершенствование систем автоматизированной подготовки производства, которые должны были пытаться обеспечить взаимодействие инженеров-проектировщиков и инженеров-технологов.

1. Производственный цикл детали

Все производство может быть поделено на дискретное и непрерывное. Под дискретным производством понимается изготовление продукта, проходящего через конечное число технологических и сборочных операций. Непрерывное производство подразумевает изготовление продукта, претерпевающего непрерывные изменения, например в ходе химических реакций, в результате которых заготовка преобразуется в готовую деталь.

Главные этапы дискретного производства Продукт проектирования Технологическая подготовка производства Выбор операций Упорядочение операций Проектирование инструментов и оснастки Заказ материалов Производство Программирование станков с ЧПУ Контроль качества Упаковка Поставка

Когда готовый проект передается в производственный отдел, инженер технолог преобразует описание деталей и устройств в технологические инструкции. Эти инструкции описывают подробно процессы, необходимые для изготовления деталей, а также последующие операции сборки этих деталей в конечный продукт. Процедура, таким образом, заключается в сопоставлении требований к деталям и имеющихся производственных мощностей.

После завершения фазы технологической подготовки начинается реальное производство детали в соответствии с инструкциями, подготовленными на предыдущем этапе. Если для обработки детали используются станки с ЧПУ, оператор станка должен написать соответствующую программу. Существует множество программных средств, позволяющих создать программу для станка с ЧПУ непосредственно по базе данных системы автоматизированного проектирования. Готовые детали проверяются в соответствии с разработанными стандартами качества. Прошедшие проверку детали собираются, упаковываются, помечаются и отправляются заказчикам. Таким образом, интерфейсом между проектированием и производством оказывается технологическая подготовка.

2. Технологическая подготовка производства

Технологическая подготовка производства (process planning) заключается в выборе технологических процессов и их параметров, а также оборудования для проведения этих процессов. Задача состоит в том, чтобы превратить заготовку в деталь, изображенную на техническом чертеже. На выходе этапа технологической подготовки получается план, описывающий последовательность технологических процессов или сборочных операций. План производства иногда называется операционной картой, маршрутной картой или сводкой планирования операций. Помимо выбора и упорядочения операций важную часть плана составляет выбор инструментов и крепежа. Выбор инструмента включает также выбор станка, на котором инструмент будет установлен. Выбор операций также во многом определяется имеющимся средствами.

2.1 Неавтоматизированный подход

Традиционно планирование производства всегда выполнялось вручную. Теперь это называется неавтоматизированным подходом. Состоит данный подход в том, что опытный сотрудник, часто бывший оператор станочник, изучает чертеж детали и подготавливает инструкции по ее изготовлению, то есть план производства. Вне зависимости от сложности плана его подготовка очень сильно зависит от знаний планировщика, имеющихся инструментов, материалов, стандартных приемов и характерных масштабов стоимости. К сожалению, эти сведения обычно документируются недостаточно полно. В некоторых компаниях планы классифицируется вручную и хранятся в рабочих журналах.

В процессе разработки планов производства новых продуктов инженеры технологи действуют примерно одинаково. Типичная последовательность этапов планировки представлена на следующем слайде.

Типичная последовательность разработки планов новых продуктов Итоговая проверка плана Уточнение плана производства Подготовка документации Изучение формы детали в целом Определение оптимальной формы заготовки Определение базовых поверхностей и конфигураций Определение элементов детали Группировка элементов по конфигурациям Упорядочение операций Выбор инструмента для каждой операции Выбор или проектирование зажимов для каждой конфигурации

2.2 Модифицированный подход

Модифицированный подход – это один из двух методов, используемых для разработки систем автоматизированной технологической подготовки. Модифицированный подход (variant approach) называется так потому, что он является модификацией неавтоматизированного подхода, суть которой состоит в том, что технолог пользуется не только своей памятью, но и памятью компьютера. Другими словами, рабочий план технолога хранится в компьютерном файле. Типичный технологический план производства может извлекаться из такого файла после описания анализируемой детали в соответствии с определенной системой кодирования.

Модифицированный подход к разработке плана производства выражается в следующем. Технологическая подготовка производства новой детали начинается с кодирования ее особенностей, что эквивалентно описанию детали на языке групповой технологии. Затем деталь может быть отнесена к какому-либо семейству на основании ее кода. После этого из базы данных извлекается стандартный план для производства деталей этого семейства.

В этом плане содержатся общие инструкции по производству любых деталей семейства, поэтому может потребоваться его редактирование для получения плана нужной детали. Редактирование осуществляется средствами компьютерной системы. Часто изменения оказываются незначительными, за счет чего экономится время. Если деталь не может быть отнесена к одному из существующих семейств, технолог может разработать новый стандартный план производства в интерактивном режиме.

2.3 Генеративный подход

Генеративный подход (generative approach) состоит в том, что технологический план вырабатывается автоматически на основании технических требований к детали. В технические требования должны включаться подробные сведения о материале, особенностях обработки и предлагаемых методиках проверки, а также графическое изображение формы детали.

На первом этапе разработки плана производства новой детали в генеративном подходе технические требования вводятся в компьютерную систему. В идеале они должны считываться непосредственно из базы данных САПР. Для этого необходимо чтобы автоматизированная система подготовки производства могла распознавать элементы детали, требующие машинной обработки, такие как отверстия, пазы и выемки.

Реализация первого этапа значительно упрощается, если при моделировании используется объектно-ориентированный подход. Однако даже конструктивные элементы, используемые в системе объектно-ориентированного моделирования, могут потребовать преобразования к элементам, которые могут быть изготовлены машинной обработкой.

Кроме того, информации об элементах, вообще недостаточно для технологической подготовки производства. Например, большинство моделей CAD не содержат сведений о допусках и материалах, и их приходится вводить вручную. Система автоматизированной подготовки производства должна иметь представления о форме заготовки. Очень часто кодирование технических требований производится вручную. Все эти причины являются определяющими в задержке разработки полностью автоматизированной программы подготовки производства.

На втором этапе закодированные данные и текстовая информация преобразуется в подробный технологический план производства детали. На этом этапе определяется оптимальная последовательность операций и условия их выполнения. К условиям относятся используемые инструменты, крепления, измерительные приборы, зажимы, схемы подачи и скорости обработки. Для построения столь подробного плана производства детали произвольной сложности требуется большая база данных и сложная логическая система. Поэтому на сегодняшний день автоматизированный подход ограничивается отдельными классами деталей с относительно ограниченным набором элементов.

3. Автоматизированные системы технологической подготовки производства

Большинство существующих систем автоматизированной технологической подготовки производства (например CAM-I CAPP, MIPLAN, MITURN, MIAPP, ACUDATA/UNIVATION, CINTURN и COMCAPPV) основаны на модифицированном подходе. Однако в литературе появляются упоминания о системах, основанных на генеративном подходе (CPPP, AUTAP, APPAS, GENPLAN, CAR, MetCAPP, ICEM-PART).

CAM-I CAPP Система CAM-I CAPP была разработана компанией McDonnel Douglas Automation Company по контракту с CAM-I в 1976 году. CAM-I CAPP это система управления базами данных, написанная на языке Fortran; она реализует структуру базы данных, логику обращения к ней и представляет возможность редактирования базы в интерактивном режиме. Длина кода не должна превышать 36 разрядов. Схема кодирования позволяет работать с любой из существующих систем групповой технологии.

Графическая модель системы CAM-I CAPP Поиск семейства детали Ввод головной метки Получение файла стандартной последовательности Получение и редактирование плана производства Процессор элементов Файл матрицы семейства деталей Изучение формы детали в целом Файл стандартной последовательности Файл плана производства Файл приложения План производства Форматиро- вание плана производства Хранилище планов производства

Стандартный план производства для каждого семейства деталей хранится в стандартном последовательном файле в виде последовательности кодов операций (op code). Подробное описание каждого кода операций хранится в отдельном файле – плане операций. Стандартные планы и планы операций приходится разрабатывать для каждой установки, поскольку они зависят от машин, технологий и опыта конкретной компании.

Технологический план производства формируется системой CAM-I CAPP в четыре этапа. 1. Поиск семейства, к которому должна быть отнесена деталь, выполняется системой на основании матрицы семейств и кода детали. 2. Технолог вводит данные для головной метки, по которой формируемый технологический план в дальнейшем может быть идентифицирован. К данным относятся номер детали, материал, имя технолога, название детали и номер версии. Конкретный перечень данных в каждой компании может быть свой.

3. На следующем этапе система формирует последовательность операций по изготовлению детали (называемую маршрутом - route). Формирование осуществляется путем уточнения или модификации стандартного технологического плана доступных станков. 4. Затем создается или редактируется текстовое описание действий, выполняемых для каждой операции.

4. Групповая технология

Групповая технология (group technology) - это осознание того, что многие задачи в основе своей подобны друг другу, а группировка задач позволяет найти общее решение к ним, сэкономив время и усилия (Solaja, V.B. and Urocevich, S.M. “The method of hypothetical group technology production lines”, CIRP annals, Vol. 22, No.1, 1973). Суть групповой технологии состоит в создании базы данных подобных деталей, проектов и технологий и использовании этой базы для внедрения общей процедуры проектирования и производства таких деталей.

Групповая технология широко используется для продвижения продуктов на производстве. Выделение деталей с общими технологическими параметрами позволяет разработать эффективные планы производства, выделяя для каждого семейства одну ячейку плана. Таким образом упрощаются технологические маршруты, сокращаются временные затраты на передачу материалов между станками и длительности производственных циклов.

Инженерам-технологам не приходится разрабатывать планы с нуля для каждой новой детали – вместо этого они могут обращаться к планам производства аналогичных деталей и изменять их в соответствии с техническими требованиями к новым деталям.

Концепция групповой технологии дает преимущества и на этапе проектирования. С её помощью часто удается устранить избыточное разнообразие деталей, предоставив конструкторам возможность осуществления поиска по семействам деталей. Часто конструкторы просто не знают о наличии аналогичных проектов среди текущих разработок. Обычно это связано с тем, что система нумерации деталей не дает им достаточной информации.

4.1 Классификация и кодирование

Классификация детали означает отнесение ее к определенной группе или семейству на основании наличия или отсутствия определенных свойств. Кодирование детали состоит в присвоении ей символов, которые должны отражать свойства детали, в частности наличие у нее определенных элементов.

Перед построением системы кодирования конструктор должен исследовать все элементы деталей, которые должны быть учтены в ней. Выбор элементов определяется применением создаваемой системы. Существует три типа структур кодов, на которых могут основываться системы кодирования групповых технологий: - иерархический (моноаспектный код), - цепной (многоаспектный код), - гибридный.

Моноаспектный код. В иерархическом или моноапектном коде (hierarchical code, monocode) значение знака кода определяется предшествующими знаками. Пример структур в иерархических кодов приведен на следующем слайде.

Иерархический код 54ххх 541хх литье под давлением 542хх штамповка алюминия 543хх про-во из лист. металла 5411х 5412х 5421х 5422х 5431х 5432х 5433х Негорючая пластмасса Обычная пластмасса С ребрами Без ребер

Иерархическая структура обладает тем преимуществом, что позволяет описать большие объемы информации небольшим количеством символов. Однако определить назначение символа в иерархической структуре довольно сложно. Кроме того, иерархический код трудно разработать и модифицировать, потому что нужно определять все ветви иерархии.

Многоаспектный код. Основанный на цепной структуре (chain structure) код называется многоаспектным. В таком коде каждая цифра не зависит ни от каких других, в том числе и от предшествующих. Многоаспектный код легко конструировать и модифицировать по мере необходимости. Его использование предпочтительно в том случае, если сведения о деталях будут изменяться достаточно часто. Главный недостаток многоаспектного кода в том, что он несет гораздо меньше информации, чем моноаспектный код такой же длины.

Гибридный код. В гибридной структуре (hybrid structure) некоторые цифры образуют иерархические поверхности, тогда как другие рассматриваются автономно. Большинство систем классификации и кодирования, используемых в промышленности основаны на гибридных структурах, что позволяет пользоваться преимуществами многоаспектных и моноаспектных кодов.

4.2 Существующие системы кодирования

Для обеспечения потребностей проектирования и производства было разработано множество систем классификации и кодирования деталей. Эти системы облегчают выбор семейств деталей и поиск деталей с подобными технологическими характеристиками.

Система Vuoso-Praha Код Vuoso-Praha состоит из четырех знаков, три из которых образуют иерархическую структуру, задающую форму детали, в том числе ее размеры и пропорции, а четвертая цифра задает материал. Значение каждой цифры имеется в кодировочной таблице. Значение второй и третьей цифры зависит от значения первой. Тела вращения кодируются подробнее остальных.

Система Опитца Система была разработана Опитцем (Аахенский технический университет, Германия). Она основана на гибридной структуре, поэтому значения второй, третьей, четвертой и пятой цифр зависят от значения первой. Базовый код состоит из 9 знаков. Первые 9 цифр называются основным (primary) кодом, а дополнительные цифры A,B,C и D – дополнительным (secondary) кодом. Дополнительный код определяет тип технологических операций и их последовательность. Многие компании взяли на вооружение систему Опитца. Одна из самых известных систем кодирования.

Система КК-3 Система кодирования КК-3 была разработана в 1976 году Японским обществом развития промышленности (JSPMI). Эта многоцелевая система кодирования и классификации деталей, получаемых машинной обработкой. В ней используется 21 знак, благодаря чему она отражает больше особенностей деталей, чем две ранее описанные.

Система MICLASS Система классификации Института металловедения была разработана Голландской ассоциацией прикладных научных исследований и в настоящее время поддерживается в США организацией промышленных исследований. Эта коммерческая система довольно популярна в США. В ней используется цепной код из 12 знаков. Допускается добавление 18 дополнительных знаков. Кодирование нескольких тысяч деталей при помощи кода длиной в 30 знаков осуществляется с помощью интерактивных компьютерных программ.

Система DCLASS Система конструктивных данных и классификации. Разработчик Делл Аллен. Хотя до настоящего времени система использовалась в университетском мире, в последнее время используется компаниями для разработки прототипов. Структура этой системы имеет вид дерева. Она позволяет кодировать детали, материалы, технологии, станки и инструменты. Код состоит из 8 знаков.

5. Системы управления данными о продуктах

Если рассматривать ситуацию на производстве в динамике, маркетинговые концепции должны передаваться в отдел планирования продуктов и в группу проектирования. Группа проектирования взаимодействует с производственным отделом и группой поддержки. Сведения об обнаруженных проблемах возвращаются в отделы проектирования и производства. Сведения о продажах и проектах передаются поставщикам и партнерам. Данные о расходах обрабатывает бухгалтерия. Все эти сведения связаны друг с другом, поэтому все изменения должны быть доступны участникам проекта.

Объем технических данных по мере разработки чрезвычайно возрастает, из-за чего просмотр и поиск по базе данных становится неэффективным. Существуют системы управления данными о продуктах (PDM system). Системы PDM упрощают передачу данных между отделами. Использование такой системы улучшает взаимодействие и повышает эффективность управления проектами. Системы PDM были разработаны для управления огромными объемами электронных данным, создаваемых системами CAD/CAM/CAE. Инженеры страдали от переизбытка данных и тратили слишком много времени на поиск информации.

В последнее время системы PDM стали еще более популярны благодаря развитию Интернета, Web и интрасетей. Концепция Web стала популярной благодаря универсальности и дешевизне, доступности и аппаратной независимости. Самым большим препятствием на пути к широкому признанию PDM были трудности с доступом у конечных пользователей. Web решает эту проблему представляя простой и универсальных интерфейс пользователя. Благодаря поддержке веб-технологий PDM стали играть ключевую роль в обеспечении доступа к актуальной информации множеству групп.