ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Содержание:
Основные направления в конструировании машин |
||||||
4.1 - Принципы и методы конструирования. 4.2 - Система автоматизированного проектирования (САПР). С увеличением номенклатуры и усложнением конструкций техники стали интенсивно развиваться методы и приёмы конструирования. Всё более широкое применение находят при конструировании изделий методы моделирования рабочих процессов, макетный метод проектирования. Строятся математические модели отдельных рабочих элементов, их подсистем и систем, определяющих СХМ или агрегат, и с помощью ЭВМ производится их параметрическая и структурная оптимизация (см. гл. 12-13). При конструировании сложных изделий в процессе проектирования часто возникает необходимость экспериментальной проверки намеченных технических решений. Для этого часто применяют конструктивно несложные макеты, которые воспроизводят отдельные, интересующие конструктора, элементы конструкции изделия, позволяют осуществить экспериментальную проверку и отработку этих элементов до изготовления опытных образцов изделия. Выбор методов и приемов конструирования при выполнении конкретной конструкторской работы обусловлен характером разрабатываемого объекта, степенью его сложности и новизны, масштабами и сроками разработки, наличием материальных средств для её выполнения, квалификацией конструкторских кадров и др. Однако все методы и приемы, используемые при конструкторской разработке, как правило, базируются на четырех взаимосвязанных принципах конструирования [27]: 1) принцип группового проектирования; 2) принцип агрегатирования; 3) принцип унификации; 4) принцип взаимозаменяемости. Принцип группового проектирования необходим тогда, когда возникает задача одновременной разработки целого комплекта (ряда, семейства, групп исполнений или модификаций) конструктивно подобных изделий многоцелевого назначения, соответствующих самым разнообразным условиям их использования. Разработка и стандартизация практических и типоразмерных изделий определенного вида способствуют упорядочению номенклатуры этих изделий и благодаря принципам конструктивной преемственности, агрегатирования, унификации и взаимозаменяемости позволяют существенно сократить общий цикл технической подготовки производства, создать условия для развития специализаций и кооперирования производства, снизить себестоимость и повысить качество изделий.Принцип агрегатирования связан с усложнением конструкции машин и необходимостью организации их крупносерийного и массового производства. Агрегатирование – это метод конструирования изделия, основанный на таком членении его на составные части (сборочные единицы и детали), при котором обеспечиваются наиболее рациональные способы производства, эксплуатационного обслуживания и ремонта изделия и последующее многократное использование его составных частей при разработке новых исполнений изделия. Внедрение принципа агрегатирования позволяет: 1) организовать правильное изготовление, сборку, испытания и отработку составных частей изделия на специализированных участках предприятия; 2) организовать специализированное крупносерийное массовое производство унифицированных составных частей; 3) сократить сроки разработки и подготовки новых изделий; 4) повысить качество изделий благодаря тщательной отработке конструкции составных частей и технологии их изготовления; 5) внедрить агрегатный метод ремонта изделий. Внедрение агрегатирования машин способствовало ускорению процесса разработки и освоения образцов новой техники и совершенствованию форм и методов организации производства (производство дизелей, редукторов, шасси, кабины, колеса и т.д.). Принцип унификации заключается в том, что составные части изделия конструируются таким образом, чтобы их номенклатура была минимальной, но достаточной для рациональной компоновки и эффективного функционирования изделия. Унификация – это эффективный и экономичный способ создания на базе исходной модели ряда производных машин одинакового назначения, но с различными показателями мощности, производительности и т.д. или машин различного назначения, выполняющих качественно другие операции, а также рассчитанных на выпуск иной продукции. Используя этот принцип можно выделить следующие методы создания унифицированных машин. 1. Секционирование – заключается в разделении машин на одинаковые секции и образования производных машин набором унифицированных секций. Этому способу конструирования хорошо поддаются транспортерно - подъемные машины, например, однопоточная, 2-поточная и др. 2. Метод изменения линейных размеров – с целью получения различной производительности машин и агрегатов изменяют их длину, сохраняя форму поперечного сечения. Например: молотильный барабан СК-5, 3. Базовый метод унификации – при разработке группы изделий, обладающих конструктивной общностью, одна из моделей группы определяется в качестве базовой. Для базовой модели характерно наибольшее количество конструктивных элементов или других признаков, свойственных всей группе изделий. Конструкции остальных изделий группы являются производными от базовой модели, т.е. модифицированными. Этот метод обеспечивает высокий уровень конструктивной преемственности изделия и позволяет получить в сжатые сроки при ограниченной общей номенклатуре составных частей путём их различных сочетаний разнообразные изделия высокого качества. Например: зернокомбайны Дон-1500 – базовая модель; Дон-1500А, Дон-1500Б, «Вектор»-зернокомбайны, обладающие конструктивной общностью. 4. Конвертирование – базовую машину или её основные элементы используют для создания агрегатов различного назначения, иногда близких, а иногда различных по рабочему процессу. Например: перевод двигателя внутреннего сгорания с одного вида топлива на другой (другая степень сжатия, варьируется высотой поршневой головки); с цикла искрового зажигания – на цикл воспламенения и сжатия. 5. Компаундирование – параллельное соединение машин или агрегатов; применяют с целью увеличения общей мощности или производительности машины. Спаренные машины могут быть или установлены рядом как независимые агрегаты, или связаны с другими синхронизирующими, транспортными и другими устройствами, или конструктивно объединены в один агрегат. Например: парная установка судовых двигателей, работающих каждый на свой винт; параллельно работающие две зерноочистительные машины в агрегате типа ЗАВ-40 (каждая линия 20 т/ч, две линии – 40 т/ч). Принцип унификации способствует улучшению показателей технологичности изделий, повышению серийности производства и применению высокопроизводительных методов производства СХМ. Унификация применима также к маркам и сортаменту материалов, размерам, допускам и т.п. (канавки под резьбу, центровые отверстия и т.п.). При повышении уровня унификации до 60-80% сроки разработки этих изделий сокращаются в 1,5-2 раза. Принцип взаимозаменяемости – это свойство детали или сборочной единицы занимать свое место в изделии без дополнительной обработки и выполнять установленные функции. При этом различают взаимозаменяемость полную и неполную, для которой характерно применение искусственных приемов (компенсация, регулировки и т.д.). В действительности этот принцип конструирования более многогранный. Различают монтажную и функциональную взаимозаменяемость, причем каждая из них может быть полной или неполной (частичной). Например: ходовая часть зернокомбайна должна иметь полную монтажную и частично функциональную взаимозаменяемость, т.е. может несколько измениться (улучшиться) конструкция переднего или заднего моста, но обеспечивается обязательная монтажная взаимозаменяемость, т.е. этот мост приемлем для всех машин, где использовался старый. Монтажная взаимозаменяемость агрегатов, узлов и деталей обеспечивается соблюдением требований к конструкциям по габаритно-установочным и присоединительным размерам и норм общего назначения (шероховатость поверхности, отклонения формы и расположения отверстий и т.п.) Метод базового агрегата - в его основе лежит применение главного агрегата, который превращается в машины различного назначения с помощью присоединения к нему специального оборудования. Этот метод довольно распространен при проектировании СХМ, дорожно - и подъемно-транспортных машин. Базовым агрегатом является обычно энергетическое средство (тракторное или автомобильное шасси), выпускаемое серийно. Монтируя на нем дополнительное оборудование, получают серию машин различного назначения. Присоединение спецоборудования требует разработки дополнительных механизмов и агрегатов (системы навески), коробок отбора мощности, лебедок, тормозов, которые можно также унифицировать. Конструктивная преемственность – это использование при проектировании предшествующего опыта машиностроения данного профиля и смежных отраслей, введение в проектируемый агрегат всего полезного, что есть в существующих конструкциях машин. Почти каждая современная машина представляет собой итог работы конструкторов нескольких поколений. Наряду с изучением опыта своей отрасли машиностроения следует использовать опыт других, даже отдаленных по профилю отраслей, так как часто те или иные конструктивные решения отработаны и используются в других отраслях. На основании этого сделаем вывод: конструктор должен смотреть вперед, оглядываться назад и озираться по сторонам. Одним из важнейших современных направлений в проектировании является система автоматизированного проектирования (САПР) [31]. САПР - организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования (КСАП) (ГОСТ 23501-87). При этом выделяется основная функция САПР, которая состоит в выполнении автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей. Целью создания САПР является повышение качества объектов проектирования, сокращение сроков их создания, снижение трудоемкости проектирования и повышение качества проектной документации [51]. Система автоматизированного проектирования как любая искусственная или смешанная система должна удовлетворять постоянно изменяющимся потребностям человека (в частности, инженера-конструктора). Эти потребности обусловлены жесткими требованиями, предъявляемыми к срокам проектирования объектов машиностроения и качеству проектных решений. Отсюда следует, что вопросами обоснования целесообразности существования и развития конкретной САПР должно уделяться первостепенное значение. Возможность удовлетворять изменяющимся потребностям закладывается при создании САПР и их составных частей. Процесс создания САПР характеризуется наличием признаков системности, среди которых наиболее четко просматриваются следующие: - наличие определенной структуры системы; - взаимозаменяемость ее составных частей; - подчиненность всей системы заданной цели. Эффективность функционирования САПР обусловливается применением общесистемных принципов, например, системного единства, совместимости, типизации и др. Реализация этих принципов при создании САПР позволит обеспечить: - целостность как системы, так и процесса проектирования; - эффективное совместное функционирование составных частей САПР; - снижение затрат на создание САПР за счет использования типовых и унифицированных элементов, а также тиражирования базовых компонентов САПР; - адаптацию конкретной САПР к системам другого уровня или другого функционального назначения, а также модификацию и обновление её частей. Процесс создания САПР тесно связан с процессом проектирования технической системы. Важно обеспечить единство подходов как в первом, так и во втором процессах, основанное на использовании следующих принципов: - решение новых задач; - экономическая целесообразность; - иерархичность; - декомпозиция; - итерационность проектирования; - стандартизация и типизация проектных решений. Система автоматизированного проектирования состоит из подсистем, выполняющих заданные функции и обладающих определенной самостоятельностью. По назначению подсистемы разделяются на проектирующие и обслуживающие. Проектирующие подсистемы имеют объектную ориентацию. Применение таких подсистем позволяет решать одну или несколько связанных проектных задач при проектировании машины или технологического процесса обработки деталей. В свою очередь, проектирующие подсистемы можно разделить на объектно-ориентированные и объектно-независимые. Примерами проектирующих объектно-ориентированных подсистем могут служить: - подсистема проектирования корпусов плугов; - подсистема генерирования кинематической схемы жаток; - подсистема расчета несущих конструкций зерноуборочных комбайнов. Приведенные примеры характеризуются спецификой решаемых проектных задач, обусловленной узостью класса объектов проектирования. Проектирующие объектно-независимые подсистемы предназначены для эффективного решения типовых, широко распространенных проектных процедур. Например: - подсистема конструирования клиноременных передач; - подсистема конструирования вариаторов; - подсистема расчета соединений вал-ступица и др. Действительно, последние подсистемы способны решать поставленные задачи независимо от объектов проектирования – будь то зерноуборочный комбайн или трактор. Обслуживающие подсистемы обеспечивают поддержку функционирования проектирующих подсистем, а также оформление, передачу и выдачу полученных в них результатов. Примеры обслуживающих подсистем: - система управления базами данных; - подсистема документирования на различных носителях; - подсистема графического ввода/вывода. Структурными частями комплекса средств автоматизированного проектирования (КСАП) являются виды обеспечения: организационное, программное, информационное, методическое, математическое, лингвистическое, техническое [51]. Организационное обеспечение регламентирует взаимодействие подразделений проектной организации с комплексом средств автоматизированного проектирования. Оно представляет собой совокупность приказов, инструкций, штатного расписания, квалификационных требований к обслуживающему персоналу, порядок подготовки пользователей САПР и другие документы. Программное обеспечение (ПО) служит для преобразования потоков информации. Это документы с текстами программ на исходном языке программирования и условиями эксплуатации программных модулей (руководство программиста, руководство пользователя и др.), а также сами программы на различных машинных носителях. На основе принципа типизации программное обеспечение строится как совокупность общесистемного и прикладного ПО. Общесистемным ПО занимается системный программист отдела САПР. Данное ПО, представленное, например, операционной системой ЭВМ, не связано со спецификой САПР, а служит для многих приложений. Прикладное ПО отражает специфику конкретной САПР и служит для реализации проектных процедур, необходимых для создания проектируемого объекта. Информационное обеспечение представляет собой совокупность сведений, необходимых для выполнения проектных процедур при выработке проектных решений. Эти сведения представлены на машинных носителях. Методическое обеспечение состоит из документации инструктивно-методического характера, устанавливающей технологию автоматизированного проектирования объекта, описание САПР, а также правила эксплуатации комплекса средств автоматизированного проектирования. Математическое обеспечение представляет собой совокупность методов математического моделирования объектов и процессов проектирования, самих математических моделей объектов и процессов проектирования, а также алгоритмов решений задач при автоматизированном проектировании. Классификация САПР. Область применения систем автоматизированного проектирования очень широка и включает в себя практически все отрасли машиностроения. Классификация САПР по различным определяющим признакам позволяет внести достаточно стройный порядок в их обширное множество. При этом полученные категории могут служить различным целям, например, наглядности, каталогизации, оценке научно-технического уровня, планированию и др. Установлены признаки классификации САПР: - тип объекта проектирования; - разновидность объекта проектирования; - сложность объекта проектирования; - уровень автоматизации; - комплексность; - характер и количество выпускаемых документов; - количество уровней в структуре технического обеспечения. Классификация задач САПР. Задачи, решаемы САПР, можно классифицировать следующим образом: 1) вычислительные задачи (например, прочностные расчеты стержневых систем и рам, оптимизация, моделирование), предъявляющие повышенные требования к производительности процессора и объему оперативной памяти; 2) задачи обработки больших массивов информации (например, задачи создания и введения баз данных конструкторской документации, задачи информационного поиска, доступа к базам данных), требующие наличия внешних накопителей большой емкости и достаточно малого времени доступа; 3)задачи интерактивного (диалогового) проектирования (например, речевой ввод или интерактивная графика), требующие специальных аппаратных средств (графический дисплей, графопостроитель, диджитайзер и др.), обеспечивающих удобство работы и малое время ответа; 4)задачи обмена информацией между подсистемами САПР (например, передача в комплексную САПР информации от технологической подсистемы к программно-управляемому оборудованию); к этим же задачам относится дистанционное, сетевое и межсетевое взаимодействие технических средств САПР; 5)задачи, решаемые с применением методологии искусственного интеллекта, в частности, экспертных систем. Связь САПР с другими автоматизированными системами и перспективы развития САПР. Кроме систем автоматизированного проектирования (САПР), существует много других автоматизированных систем, основанных на применении средств вычислительной техники, в различных сферах человеческой деятельности. Одни из них не связаны с САПР (например, системы автоматизированной продажи билетов или банковские системы), другие могут передавать или получать необходимую для их работы информацию от САПР. Используются следующие автоматизированные системы. АСУП – автоматизированная система управления предприятием, включающая подсистемы: оперативное управление производством; финансы и бухгалтерский учет; материально-техническое снабжение и управление запасами; сбыт; планирование. АСУП является системой более высокого уровня, чем САПР. Из АСУП в САПР могут передаваться, например, ограничения на применяемые материалы, оборудование. АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом, например: АСУТП плавки в доменной печи, АСУТП смесеприготовления и др. Эти системы имеют датчики, исполнительные механизмы, управляющую ЭВМ, устройства сопряжения ЭВМ с объектами управления и оператором. Обычно АСУТП и САПР не связаны друг с другом, но в некоторых случаях параметры изделия, рассчитанные в САПР, могут передаваться с АСУТП для расчета управляемых параметров процесса изготовления этого изделия. АСТПП – автоматизированная система технологической подготовки производства. САПР ТП – САПР технологического проектирования. АСНИ – автоматизированная система научных исследований. АСОПП (или АСПП) – автоматизированная система научно-технической информации. САИТ – система автоматизации инженерного труда. ГАП – гибкое автоматизированное производство. Эта система обычно тесно связана с САПР: полученные с помощью САПР конструкторские и технологические параметры изделия передаются в ГАП для управления процессом изготовления этого изделия (станкам с ЧПУ, роботам). САПО – система автоматизированной разработки программного обеспечения. ОСАУ – отраслевая автоматизированная система управления. Предназначена для оперативного управления отраслью экономики, является системой верхнего уровня для АСУП. Перспективы развития САПР. Стратегической линией развития автоматизации проектирования является создание единого производственного цикла, включающего собственно конструкторские работы, технологическую подготовку производства и автоматическое управление изготовлением деталей и сборочных единиц. Такая системная интеграция разработки и производства на основе единых математических моделей изделий позволяет в рамках предприятий объединить с помощью АСНИ, САПР, САПР ТП и общий блок данных АСУП в интегрированную гибкую производственную систему. Это позволило бы в ряде случаев обходиться вообще без выпуска традиционной проектно-конструкторской документации, поскольку результаты проектирования, полученные в САПР, использовались бы непосредственно при составлении управляющих программ для станков с ЧПУ роботов. К этому стратегическому направлению развития автоматизации проектирования следует добавить еще четыре: 1) развитие методов оптимизированного проектирования; 2) развитие машинной графики; 3) совершенствование технологии автоматизированного проектирования (использование данных и вычислительных ресурсов других ЭВМ путем объединения их в сети; приближение языка общения проектировщика с ЭВМ к естественному; переход к безбумажному документированию); 4) внедрение в проектирование методологии искусственного интеллекта. 4.2.1. Требования к техническому обеспечению САПР Техническое обеспечение САПР должно включать вычислительный комплекс на базе высокопроизводительной ЭВМ с большим объемом оперативной и внешней памяти, широким набором периферийных устройств для обеспечения диалогового режима работы, выпуска текстовой, чертежной документации, создания баз данных. Вычислительный комплекс (ВК) для проектирования сложных и очень сложных объектов должен иметь производительность 100 млн. операций в секунду (опер/с) и выше, длину слова 32-128 бит, объем ОЗУ десятки мегабайт (Мбайт) и более, объем внешней памяти несколько гигабайт (Гбайт) и более. Примеры задач высокой сложности: трехмерная машинная графика с полным набором дополнительных функций (полутоновым изображением, вращением изображения на экране, освещением объекта из различных точек с изображением теней и отражений света); сложные задачи оптимизации (например, задачи многомерной оптимизации методами перебора, случайного поиска), для решения которых необходимо выполнить 10 Требования к ВК САПР очень сложных объектов удовлетворяют супер-ЭВМ и большие ЭВМ высокой производительности, а также рабочие станции. САПР таких объектов строятся по двух или трехуровневой схеме: на верхнем уровне ЭВМ большой производительности и на нижнем уровне –сеть терминальных станций (АРМ). Супер - АРМ имеют инвариантные пакеты прикладных программ, специальные графические процессоры для трехмерного представления объектов проектирования. Проектные задачи средней сложности решаются на мини-ЭВМ, а также многих моделях персональных ЭВМ. К задачам средней сложности относятся: формирование и оформление конструкторской и технологической документации, в том числе чертежей, введение средних по объему баз данных, расчетные задачи средней сложности. В САПР малой сложности выполняются задачи проектирования простых изделий, ввода и редактирования текстовой информации, выпуска программ для станков с ЧПУ. 4.2.2. Общие характеристики ЭВМ К общим потребительским характеристикам ЭВМ относятся: 1) производительность; 2) разрядность; 3) емкость оперативного запоминающего устройства; 4) емкость и время доступа внешнего запоминающего устройства; 5) номенклатура, характеристики и количество периферийных устройств, которые можно подключить к системному блоку ЭВМ; 6) пропускная способность каналов ввода/вывода; 7) надежность; 8) условия эксплуатации; 9) размеры, масса, потребляемая мощность, занимаемая площадь; 10) применяемая операционная система и её возможности; 11) состав инструментального программного обеспечения; 12) количество и качество функциональных и объектно-ориентированных прикладных программ, которые могут быть использованы в данной ЭВМ; 13) цена; 14) перспективность ЭВМ данного типа. В дополнение к этим характеристикам следует добавить надежность фирмы-поставщика и гарантируемый ею сервис. Производительность (быстродействие) ЭВМ измеряется в миллионах операций в секунду (англ. МIPS – Million Instructions Per Second), миллионах операций с плавающей запятой в секунду (МFLOPS) и миллионах логических операций в секунду (МLIPS).Косвенным показателем производительности ЭВМ может служить тактовая частота. В некоторых ПЭВМ, главным образом в 32-разрядных, предусматриваются аппаратные средства изменения рабочей тактовой частоты и соответственно производительности с помощью, например, кнопки ТURBO на передней панели системного блока. Это может быть необходимо при выполнении прикладных программ, критичных к скорости процессора. Разрядность (длина машинного слова) – число битов, используемых для представления данных в ЭВМ. Разрядность персональных ЭВМ равна 8-64 бит, а у больших ЭВМ и супер-ЭВМ достигает 128 бит. Эта характеристика является номинальной в том смысле, что многие ЭВМ и системы программирования предусматривают возможность работы с половиной, удвоенной и учетверенной длиной слова. В состав ЭВМ, кроме основного процессора, могут входить спецпроцессоры, имеющие большую разрядность; например, сопроцессор математический i 80387 имеет разрядность для целых чисел до 64 бит, и для чисел с плавающей точкой – до 80 бит. Разрядность определяет точность вычислений ЭВМ. ОЗУ ЭВМ имеет емкость в диапазоне от десятков килобайт до сотен гигабайт. В ОЗУ хранится программа и данные, которые обрабатываются процессором. Эта характеристика ЭВМ важна потому, что многие программы, в том числе и операционная система, для своей работы должны быть полностью размещены в ОЗУ и при этом некоторые из них занимают сотни килобайт и даже несколько мегабайт памяти. Так, при установке операционных систем ОS/2 и Windows минимальная требуемая емкость ОЗУ может превышать 16 Мбайт. Кроме ОЗУ, в качестве внутренней памяти в ЭВМ используется регистровая память процессора, а в высокопроизводительных моделях – также и кэш-память. В табл.4.1. приведены характеристики памяти ПЭВМ, включая внешнюю память. Стоимость единицы памяти примерно обратно пропорциональна времени доступа. Таблица 4.1 Сравнительная характеристика памяти ПЭВМ
Пропускная способность каналов ввода/вывода определяет скорость передачи информации между центральной частью и периферийными устройствами (ПУ) ЭВМ. Каналы ввода/вывода представляют собой специальные процессоры, соединяющие главный процессор и память ЭВМ с контроллерами ПУ. Единицами скорости передачи данных являются 1 бод (1 бит/с) и 1 байт/с. В микроЭВМ и ПЭВМ роль каналов ввода/вывода выполняют контроллеры, адаптеры и модемы, подключенные непосредственно к общим с процессором и ОЗУ шинам. Классы и семейства ЭВМ. Супер-ЭВМ. К этому классу относятся ЭВМ с быстродействием несколько миллиардов операций в секунду и выше, длинной машинного слова 64 бит и выше. Такое высокое быстродействие обеспечивается за счет применения многопроцессорных систем, объединяющих десятки и сотни процессоров, и операционных систем, позволяющих организовать взаимосвязанные арифметико-логические операции на этих процессорах. Особенности супер-ЭВМ, кроме их технических характеристик: возможность одновременного подключения большого числа периферийных устройств, таких как накопители на магнитных дисках, лентах, перфолентах, перфокартах, печатающие устройства, в том числе скоростные устройства построчной печати, видеотерминалы, графопостроители, перфораторы, ЭВМ нижнего уровня и др.; возможность мультипрограммной и многопользовательской работы. Эти способности позволяют создавать на базе супер-ЭВМ большие базы данных и многопользовательские системы, решать задачи, требующие большого объема вычислений, обрабатывать и печатать большие объемы информации. Супер-ЭВМ и часть их периферийного оборудования, как правило, размещаются в специальных залах, оборудованных системами кондиционирования и пожаротушения, защитными металлическими экранами от внешних электрических и магнитных полей, аварийными системами электроснабжения, шумопоглощающими стенами и перекрытиями. Так как стоимость больших ЭВМ и помещений для них достаточно высока, то для окупаемости затрат необходима обычно организация двух, трехсменного режима работы. При этом для эксплуатации супер-ЭВМ необходим обслуживающий персонал: начальник ЭВМ, системные программисты, операторы, специалисты по электронике и точной механике. Супер-ЭВМ применяются в военной сфере, в сетях ЭВМ в качестве центральной ЭВМ, для решения особо сложных научно-технических задач и задач обработки больших объемов данных. Из числа зарубежных супер-ЭВМ широко известны ЭВМ фирм СDC «Cray», IBM, NEC, BULL и др. Большие ЭВМ. По своим характеристикам они близки к супер-ЭВМ, особенно в части возможностей подключения большого числа разнообразных периферийных устройств и требований к помещениям. Производительность больших ЭВМ ниже, чем у супер-ЭВМ, длина слова от 32 до 128 разрядов. Большие ЭВМ широко используются в АСУ, САПР, информационно-справочных, информационно-поисковых системах. В странах – членах бывшего СЭВ выпускались и используются большие ЭВМ семейства ЕС (ЕС ЭВМ - единая система ЭВМ). Мини–ЭВМ. К ним относится ЭВМ, имеющая быстродействие, объем ОЗУ и длину машинного слова несколько меньше, чем у больших ЭВМ, позволяющие подключать обширный набор периферийных устройств, датчиков, исполнительных механизмов. Как и большие ЭВМ, мини-ЭВМ обычно располагают в специальных помещениях, и для их эксплуатации необходим обслуживающий персонал. К классу мини-ЭВМ относятся младшие модели семейства ЕС ЭВМ, старшие модели семейства СМ ЭВМ (система малых ЭВМ) и старшие модели семейства «Электроника». Мини-ЭВМ широко используются для построения систем с распределенной обработкой информации, для создания многотерминальных АРМ. В качестве рабочих станций локальной вычислительной сети САПР, шлюзов для связи локальной и региональной сетей ЭВМ, для сбора и обработки данных в реальном масштабе времени, для создания САПР средней сложности. МикроЭВМ – класс универсальных ЭВМ, предназначенных, как и мини-ЭВМ, для управления технологическими процессами, экспериментами, установками и для обработки информации в реальном масштабе времени. В отличие от мини-ЭВМ микроЭВМ, как и персональные ЭВМС (ПЭВМ), выпускаются в микроисполнении: в настольном варианте автономных или встраиваемых в аппаратуру секций. 4.3. Автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП) и интегрированные САПР
Технологическая подготовка производства (ТПП) для каждой детали, сборочной единицы и изделия в целом включает следующие этапы: - обеспечение технологичности конструкции изделия; - разработку технологии; - проектирование и изготовление инструмента, оснастки, оборудования, средств механизации и автоматизации; - приобретение стандартного инструмента, оснастки, оборудования, средств механизации и автоматизации; - обеспечение материалами; - изготовление опытной партии. Разработка технологии, в свою очередь, включает: выбор заготовки, определение технологических баз, составление технологического маршрута обработки, разработку операционной технологии, расчет потребности в инструменте, расчет трудоемкости и себестоимости изготовления детали, выбор пространственного расположения производственного процесса (компоновку цехов и участков, технологическую планировку, организацию рабочих мест). Разработка операционной технологии также предполагает выбор оборудования и рабочих приспособлений, определение структуры операций (переходы, установы и т.п.), выбор рабочего, вспомогательного и мерительного инструмента, составление схем наладок, расчет настроечных размеров и ожидаемой точности обработки, расчет припусков, режимов обработки, норм времени, координат для автоматических станков, написание управляющих программ для оборудования с ЧПУ, технико-экономические расчеты для выбора оптимального варианта операционной технологии. Большинство вышеперечисленных задач уже решается с помощью автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП). В частности, легко поддаются формализации и решению на ЭВМ расчеты режимов резания, припусков, норм времени, составление программ для оборудования с ЧПУ. Трудноформализуемыми являются задачи выбора метода обработки, оборудования, инструмента, вида заготовки, последовательности операций, назначения схемы базирования, но и их решение значительно облегчится в АСТПП благодаря быстрому поиску нужных данных, возможности выбора готовых типовых решений, составленных с учетом особенностей конкретного предприятия, автоматическому оформлению документации. 4.3.1. Предпосылки внедрения и функциональный состав АСТПП Значительная часть информации, используемой АСТПП, хранится в кодированном виде. Это коды операций, материалов, заготовок, поверхностей деталей, оборудования и др. Таким образом, для внедрения АСТПП в полном объеме требуется значительная подготовительная работа по освоению и соблюдению классификаторов. Практика показывает, что наиболее подготовленными к внедрению АСТПП оказываются заводы, где проводилась серьезная работа по упорядочению ТПП, унификации технологических процессов и организации групповых методов обработки. Ввиду сложности и большого круга задач, решаемых АСТПП, её внедрение обычно происходит по частям – в виде САПР отдельных технологических процессоров (САПР ТП). Полный функциональный состав АСТПП можно представить схематично (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Функциональный состав АСТПП 4.3.2. Интегрированные САПР Под интегрированным (комплексным) САПР понимают системы САПР/АСТПП (англ.: САD/САРР) или системы САПР/АСТПП/ГАП (англ.: САD/САРР/САМ). Часто системы САПР/АСТПП называют САD/САМ - системами. В последних автоматизировано не только конструкторское и технологическое проектирование, но и производство изделий. При этом, как показала практика, гибкое автоматизированное производство (ГАП) должно основываться на безлюдной технологии, что требует решения целого ряда сложных проблем. В числе этих проблем – высокие требования к надежности технологического оборудования и системы управления; необходимость тщательной проработки технологического процесса на основе имитационного или ситуационного моделирования для учета возможных отказов в процессе изготовления изделия; обеспечение автоматического распознавания поступающих на станок заготовок и вызовов соответствующих управляющих программ; автоматическая настройка станков на обработку новой детали; автоматический контроль размеров обрабатываемых деталей, коррекция инструмента и его замена при затуплении; автоматическое обнаружение поломок инструмента и др. Выше затрагивались некоторые вопросы создания интегрированных САПР: так, применение трехмерной графики позволяет использовать информацию о детали, полученную на стадии конструирования и представленную в виде трехмерного изображения, для технологического проектирования, например, для автоматического расчета траектории движения инструмента или конструирования штампа при этом, что важно, технологу не нужно повторно вводить геометрические данные. Реализация всех преимуществ САПР возможна в том случае, если в ее состав включить такую организационную структуру, в которой любая информация легко доступна или обеспечена ее автоматическая передача между подразделениями предприятия. Известно, что четкая организация и упорядочение потоков информации – это ключ к эффективной работе. Традиционный процесс проектирования в производстве строится на функционировании отдельных изолированных друг от друга подразделений (рис 4.2) При такой организации передача информации занимает много времени, достоверность передаваемой информации невысока по причине изолированности подразделений и больших задержек проведения изменений по всей цепочке от конструктора до производственных участков. Такая система требует также повторной разработки уже однажды созданных компонентов чертежей и данных, что влечет за собой потерю времени и увеличивает вероятность ошибки. Эти проблемы могут сохраниться и на предприятиях, оснащенных вычислительной техникой, если подразделения остаются без прямых связей между собой.
Рис. 4.2. Традиционная неинтегрированная организация производства Высокая производительность при такой организации может быть достигнута лишь в отдельных подразделения и никак не влияет на общую эффективность производства. Данная ситуация часто является результатом нескоординированных закупок оборудования и программного обеспечения разных фирм-производителей, которое может быть несовместимым. Различные ступени интеграции подразделений предприятия показаны на рис.4.3. Интегрированная машиностроительная система (ИМС) обеспечивает наибольшую степень интеграции и позволяет: - инженеру-проектировщику оперативно получить информацию об унифицированных узлах, имеющихся на складе материалах, стоимости сырья, инструмента и др.; - управляющему производством контролировать ход выполнения работ по сложным проектам; - управляющему отделом снабжения быстро получить спецификации для проверки запасов материалов, инструмента, покупных комплектующих изделий; - финансовому отделу иметь последние данные о стоимости отдельных работ; - предприятию в целом быстро реагировать на требования потребителей. ИМС пока еще мало распространены ввиду сложности их создания.
Рис.4.3. Ступени интеграции подсистем предприятия Требования, предъявляемые к современным САПР, в том числе интегрированным, включают: - возможность добавления к САПР пользователем-не-программистом прикладных программ на языке программирования высокого уровня: Фортран, Паскаль, СИ, Си++; - поддержку стандартных форматов обмена данными DXF, SET, IGES, а также оптимального и перспективного для задач автоматизации производства стандарта PDES/STEP; - моделирование с параметризацией; - различные виды представления модели на экране: в виде каркасной, поверхностной (с удалением и без удаления невидимых линий), твердотельной с передачей фактуры материала при разных источниках освещения; - реализация стандартных и заданных пользователем проекций, просмотр с помощью окон, возможность разделения модели на слои; - контроль и обеспечение качества проектных решений; - ассоциативную связь изменений модели с изменениями на чертежах; - расчет физических свойств модели (обычно с помощью метода конечных элементов); - выявление коллизий, геометрических противоречий; - независимость от вычислительной платформы (возможность работы на ЭВМ разных фирм) с предпочтением к апробированным, технически совершенным средствам с наилучшим соотношением стоимости к быстродействию; - модульную структуру САПР, позволяющую подбирать конфигурацию программных средств в соответствии с конкретной задачей, дополнять необходимыми модулями; - возможность коллективной работы над одним проектом; - связь с АСТПП, автоматическую разработку программ для станков с ЧПУ с возможностью моделирования работы станка; использование концепции Concurrent Engineering (непрерывное проектирование и изготовление), то есть концепции твердотельного моделирования как основы информационного обеспечения непрерывного процесса производства, включающего все сферы и службы от поставок материалов до конечного контроля качества. С этой целью разрабатываются стандартные интерфейсы для связи функционирующих систем АСУП и САПР/АСТПП; - возможности визуализации динамических процессов (анимация) смоделированных объектов; - способность подсоединяться к общему производственному банку данных благодаря интерфейсу своей собственной СУБД с другими СУБД; - автоматическое создание спецификаций; - поддержку всех международных стандартов оформления конструкторской документации; - возможность работы в локальных различных вычислительных сетях: Novell, Ethernet, 3COM, DECnet, Token Ring и др. К полному выполнению вышеперечисленных требований приближаются САПР/АСТПП Solution 3000 (новая разработка фирмы AutoDesk, включающая модуль Autosurf для моделирования поверхности произвольной формы и АСТПП Auto Mill.Система позволяет создать непрерывный процесс от этапа конструирования до получения готового изделия), CATIA, EUCLID, CADDS-5,Pro/Engineer,Unigraphics.Это большие дорогостоящие САПР/АСТПП, включающие САПР разнообразных технологических процессов. К САПР/АСТПП среднего класса относятся T-Flex/CaDdy, Компас, СПРУТ, Prelude и др. Приведем примеры некоторых отечественных интегрированных САПР. 1.Система Компас предназначена для подготовки и выпуска чертежно-графической документации (Компас-график), разработки технологических процессов механической обработки (Компас-Т/М), подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ (Компас-ЧПУ), проектирования штампов, пресс-форм, приспособлений, специального инструмента (Компас-мастер). Эти подсистемы внедрены на многих предприятиях. Другие подсистемы (Компас-ЗД, Компас-эксперт, Компас-проект) внедряются на различных предприятиях. 2. В институте проблем управления разработан комплекс Графика-18, включающий подсистемы 2Д-, 2,5Д - и 3Д-графики, управления базой данных, выпуска чертежной документации, получения управляющей информации для станков с ЧПУ. 3. Институтом ЭНИМС (г. Москва) создана интегрированная САПР Топаз, позволяющая комплексно решать задачи конструирования деталей типа тел вращения, проектирования маршрутной и операционной технологий и подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ. Система реализована на IBM PC/AT на Московском станкостроительном ПО “Красный пролетарий”. 4. В ЭНИМС разработана также интегрированная САПР корпусных деталей.
|
=1118 мм, Дон-1500, 
и более операций типа сложения; задачи, связанные с переработкой больших объемов информации, и др.
