WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1. Определение автоматизированного конструкторского проектирования Конструирование как термин относят обычно к общему понятию про ектирования. Иногда говорится

о проектно-конструкторских работах. Орга низации, занимающиеся созданием новых объектов, называют конструктор скими бюро. В ряде нормативных документов также имеет место подмена по нятия «проектирование» понятием «конструирование». В определенной степе ни подобная идентификация терминов понятна, поскольку с конструированием связан выпуск комплекта документации, т. е. выходного продукта всей систе мы проектирования. Кроме того, в ряде случаев содержательная часть проект ных работ связана, главным образом, с конструированием. Это имеет место, например, в ряде областей машиностроения, где геометрический облик изде лия и его элементов определяет основные свойства проектируемого объекта.

При переходе к формальным методам необходима конкретизация по нятия конструкторского проектирования, которое определяется как этап в проектных работах, связанный с геометрическим синтезом проектируемого объекта и оформлением документации. Задачами геометрического синтеза являются формирование оригинальных деталей, силовых и несущих конст рукций, размещение элементов в сборочных конструкциях, проектирование монтажных связей, геометрического облика энергетических магистралей и т.

д. Конструкторская документация, выпуском которой завершается этап кон структорского проектирования, должна быть достаточной для исполнения объекта в производстве.

Таким образом, мы дали общее определение задач конструкторского этапа проектирования любого объекта. Предметная область разрабатываемо го объекта отражается при конструкторском проектировании в расчетах и со ответственно математических моделях, связанных с функциональным назна чением этого объекта. Последнее утверждение требует пояснения.

Каждый объект имеет свое функциональное назначение и соответст венно показатели, определяющие качество функционирования. Анализу функциональных показателей и определению параметров объекта, лучшим образом отвечающих этим показателям, посвящен этап функционального проектирования. Однако существует ряд показателей, конкретных для дан ных классов объектов, в которых функциональные показатели зависят от вы бранных конструктивных (геометрических) параметров проектируемого объ екта. Так возникает связь функционального и конструкторского проектиро вания, которая существенно влияет на структуру САПР. В подобных ситуа циях правильность выбранных конструктивных (геометрических) параметров необходимо проверять на функциональных математических моделях.

Практически для всех объектов, функционирование которых связано с распространением энергии в непрерывных средах, возникает подобная необ ходимость, поскольку смена геометрических параметров вызывает изменение граничных условий и соответственно параметров объекта.

В любой конструкторской задаче приходится оценивать правильность принимаемых конструктивных решений с точки зрения самых различных функциональных показателей. Обычно эти задачи оценки объединяются об щим понятием «конструкторские расчеты». Эти расчеты входят в традици онно сложившуюся технологию проектирования и определяются норматив ными документами, принятыми при проектировании. Автоматизация проек тирования существенно расширяет возможность подобных расчетов, заменяя их более точными методами математического моделирования.

Рассмотрим некоторые характерные примеры. При размещении и компоновке теп ловыделяющих элементов (например, блоков электроаппаратуры) в шкафах требуется анализ температурных эффектов, для чего необходима функциональная модель, позво ляющая рассчитать температурные поля в различных точках рассматриваемого объекта.

Если этот же объект подвергается воздействию вибрации, то для анализа возникающих механических напряжений следует использовать функциональную модель, позволяющую строить поля нагрузок при различных спектрах вибрационных воздействий.

При конструировании летательного аппарата геометрическая конфигурация обво дов объекта определяет его аэродинамические свойства, поэтому конструктивные пара метры в данном случае следует выбирать с учетом аэродинамических показателей функ циональной модели. Аналогично в задачах проектирования волноводных трактов или по лосковых линий геометрические параметры определяют такие функциональные показате ли, как, например, полоса пропускания высокочастотного тракта.

Здесь следует заметить, что в рассмотренных задачах превалирующее значение (как по критериям, так и по трудоемкости расчетов) имеет функциональное проектирова ние. Поэтому практически процесс проектирования сводится к следующей последова тельности операций. На этапе функционального проектирования осуществляется выбор части геометрических (конструктивных) параметров, необходимых для удовлетворения функциональных показателей. Для конструкторского этапа эти параметры считаются фик сированными. Далее осуществляется этап конструкторского проектирования с сохранени ем выбранных параметров и формируется комплект документации. Сложность возникает в случае, если геометрические параметры, выбранные на этапе функционального проекти рования, окажутся неприемлемыми исходя из критериев конструкторского проектирова ния. Тогда возникает необходимость поиска компромисса при выборе конструктивных параметров. Решение компромиссной задачи требует, в свою очередь, пересмотра ранее принятых значений геометрических параметров, т. е. повторного проведения этапа функ ционального проектирования.

Отметим, что функциональные показатели зависят лишь от некоторых геометрических параметров основных деталей. В процессе конструирования основная конструкция дополняется большим числом деталей, а основные геометрических параметры большим числом новых, связанных с конструк тивным оформлением.

Так, при проектировании волноводных трактов на моделях функцио нального проектирования выбираются лишь внутренние размеры волноводов либо резонансных полостей. Конструирование же предполагает, кроме того, выбор ряда вспомогательных деталей: прокладок, фланцевых соединений, крепежа и т. д.

Другим примером может служить электрическая машина. С точки зре ния ее функционирования имеют значение несколько геометрических пара метров башмака и якоря, определяющих границы сред и соответственно рас пределение магнитных полей. При конструкторском проектировании необ ходим выбор большого числа деталей, свойственных машинам: валов, под шипников, прокладок, корпусов, крепежа и т. д.

В обоих случаях по трудоемкости и сложности создания математиче ских моделей этап функционального проектирования является определяю щим, однако основная масса конструкторских параметров и деталей, как и сама конструкторская документация, появляется при конструкторском про ектировании.

2. Базовое программно-информационное обеспечение (ПИО) конструк торского проектирования В состав ПИО конструкторского проектирования должны входить средства геометрического описания объекта, средства манипуляции с гео метрическим образом, средства отображения объекта, средства формирова ния графической документации и средства формирования геометрической информации для обработки на станках с ЧПУ.

Ориентация ПИО конструкторского проектирования на конкретные объекты проектирования определяется в основном содержанием баз данных с описаниями элементарных объектов (деталей, сборок и т. д.) различного функционального назначения, из которых компонуются конструкции проек тируемых объектов.

При конструкторском проектировании ряда объектов может потребо ваться решение специфических задач анализа и синтеза, реализуемых на ха рактерных для данных объектов моделях. К таким задачам следует отнести интересные по алгоритмическим методам задачи синтеза топологии печат ного монтажа и прокладки магистралей различного типа в трехмерном про странстве. Своеобразны и специфичны задачи конструирования скульптур ных поверхностей, не имеющих строго аналитического описания. Базовая часть ПИО, общая для различных объектов проектирования, должна включать следующие подсистемы:

– геометрического моделирования;

– графического отображения (визуализации);

– формирования графической документации;

– формирования данных для обработки на станках с ЧПУ.

Взаимодействие пользователя с этими подсистемами осуществляется на языке графического взаимодействия (ЯГВ), который должен обеспечивать формирование объекта, манипуляции с образованным объектом, управление процессом проектирования.

Типовая схема базового программно-информационного обеспечения конструкторского проектирования представлена на рис. 1. Схема является конкретным исполнением типовой структуры программно-информационного обеспечения. Роль проектных модулей при этом выполняют соответствую щие подсистемы.

Рис. 1. Схема базового программно-информационного обеспечения конструкторского проектирования В качестве особенностей схемы следует отметить:

Схема рассчитана на графический диалог, а потому имеет обратную связь в виде средств графического отображения. Прямая связь пользователя с системой осуществляется на ЯГВ и его интерпретаторе.

В схеме отсутствуют блоки программного интерфейса между инфор мационной моделью (оперативной базой данных) и подсистемами, выпол няющими проектные операции. Предполагается, что язык внутреннего пред ставления в оперативной базе данныхсогласован с подсистемами и не требу ет дополнительного интерфейса.

Взаимодействие всех подсистем осуществляется через оперативную базу данных, в которой записывается информационная модель объекта про ектирования. В данном случае информационная модель отображает геомет рические свойства объекта, т. е. является геометрической моделью.

Геометрическая модель формируется на основе исходных данных опи сываемых на ЯГВ, и операций геометрического моделирования. База данных содержит систему базовых элементов необходимых для содержанием базы данных являются описания геометрических элементов, необходимых для ра боты системы геометрического моделирования, а также графических элемен тов, необходимых как для исполнения чертежей, так и символьного графиче ского отображения объекта.

Задачей подсистемы геометрического моделирования является форми рование геометрически точной модели объекта проектирования. Подсистема отображения данных обеспечивает визуализацию данных на графических средствах. Подсистема документирования осуществляет формирование гра фической документации и выдачу ее на графические исполнительные уст ройства (графопостроители). Подсистема формирования данных для станков с ЧПУ подготавливает геометрические данные по обрабатываемой детали для последующего выпуска технологической документации с использовани ем автоматизированной системы технологической подготовки производства.

Язык графического взаимодействия инициирует работу любой подсистемы как в процесс выполнения проектных работ, так и при формировании баз данных.

Конструкторское проектирование объекта при отработанных базах данных осуществляется в диалоговом режиме с подсистемой геометрическо го моделирования с отображением результатов на графических средствах подсистемой отображения. Результатом процесса конструкторского проекти рования является точная геометрическая модель объекта. На основе модели объекта формируются проекции и сечения объекта в целом и отдельных де талей, которые являются геометрической основой сборочных и деталировоч ных чертежей, оформляемых в подсистеме графической документации. Эта модель используется и для формирования геометрической части управляю щих программ для станков с ЧПУ.

Геометрическая модель является математически точным описанием будущего объекта производства. Это обстоятельство создает возможность перехода к безбумажной форме взаимодействия с автоматизированным про изводством. Суть подобного взаимодействия связана с передачей геометри ческой модели в автоматизированную систему технологической подготовки производства (АСТПП), где осуществляется ее обработка с использованием интерактивных средств графического взаимодействия и процедур геометри ческого моделирования для построения геометрической части контуров об работки на станках с ЧПУ.

Головной в схеме рис. 1 является подсистема геометрического модели рования, поэтому формирование геометрической модели объекта осуществ ляется в диалоге «пользователь – система» через эту подсистему и отобража ется в информационной (геометрической) модели.

Графическая документация и данные для станков формируются соот ветствующими подсистемами на основе геометрической модели. При этом частные изменения, связанные с конкретными задачами подсистем, такие как размерные линии, технологические данные, могут вноситься в модели соот ветствующих подсистем.

3. Геометрическое моделирование Конечной задачей неавтоматизированного конструкторского проекти рования является выпуск необходимой совокупности конструкторской доку ментации, основу которой составляют все виды чертежей по проектируемому объекту, включая чертежи на сборочные единицы и деталировочные черте жи. По этой документации в производстве восстанавливается пространствен ный (геометрический) образ объекта или детали и осуществляется его созда ние. Таким образом, конструктор, создавая (проектируя) геометрическую модель объекта, далее отображает ее в плоских проекциях (чертежах), а ис полнитель детали (объекта) по этим чертежам восстанавливает пространст венную модель объекта и осуществляет его изготовление.

С появлением станков с ЧПУ способ взаимодействия с производством видоизменился, но при этом традиционно сложившийся процесс конструк торского проектирования остается неизменным. Чертеж как основной доку мент сохраняется, но уже интерпретируется разработчиком технологической управляющей программы для станка с ЧПУ. Такой процесс практически не реализует огромные возможности вычислительной техники по решению про странственных задач геометрии.

Система геометрического моделирования (СГМ) призвана видоизме нить этот традиционно сложившийся процесс. В СГМ конструктор оперирует непосредственно пространственными моделями проектируемого объекта и может обеспечить принципиально новые формы интерфейса с автоматизиро ванным производством на основе объемного геометрического образа объекта проектирования.

Для СГМ можно выделить следующие основные группы проектных процедур:

1. Синтез геометрической структуры (модели) проектируемогообъекта на основе геометрических примитивов.

2. Манипуляции с геометрическими параметрами объекта заданной структуры.

3. Компоновка и размещение заданного набора элементов взаданном пространстве.

4. Геометрический анализ.

5. Формирование геометрических заготовок для подсистем отображе ния, выпуска графической документации и АСТПП.

Так как конструирование является синтетическим процессом, то моде лирование как средство анализа несколько неточно отражает существо рас смотренных процедур. Поэтому геометрическое моделирование следует по нимать как создание (синтез) геометрической модели (структуры) объекта. В такой интерпретации понятие «геометрическое моделирование» является наиболее полным. Это понятие не исключает моделирование как средство анализа принимаемых решений и вместе с тем определяет конечную задачу СГМ.

Кроме того, поскольку формирование структуры является диалоговой процедурой, то геометрическое моделирование в процессе автоматизирован ного конструкторского проектирования следует понимать как интерактивный синтез (формирование) геометрической модели (структуры) объекта проек тирования, выполняемый в базисе СГМ.

Состав базиса геометрического моделирования определяется конкрет ной задачей геометрического моделирования. В развитых средствах конст рукторского проектирования базис является многоуровневым. На нижнем уровне находятся аналитически или таблично заданные носители геометри ческой информации – примитивы геометрического моделирования. Элемен ты базиса более высоких уровней иерархии строятся на основе этих прими тивов путем объединения их в геометрические структуры и образования эле ментов (деталей) любой сложности. Каждый элемент базиса любого уровня имеет свой идентификатор (имя), и из него может компоноваться объект про ектирования.

Геометрическое моделирование классифицируется по принципу моде лирования плоских (двумерных) и объемных (трехмерных) объектов. Про межуточным является вариант так называемого двусполовиномерного объек та. По математическому аппарату описания и методам исследования он бли зок к двумерным объектам. Существо подобных объектов заключено в нали чии третьей координаты – глуби ны объекта. При этом все сечения, перпен дикулярные третьей оси, имеют одинаковую конфигурацию. Простейшими примерами указанных объектов могут быть окружность, цилиндр и шар (рис.

2).

Отображение двумерных объек тов однозначно определяется одной проекцией на плоскость. При этом по скольку двумерный объект является плоским, то проекция есть, по сути, геометрическая модель объекта. Для Рис. 2. Двумерный 1, двухсполови- двусполовиномерных объектов в прин номерный 2 и трехмерный 3 объек ципе нужны две проекции, последняя, ты проектирования однако, может заменяться размерами по третьей оси. Трехмерные объекты требуют, как правило, отображения в трех проекциях. При сложных конфигурациях трехмерный объект в черте жах снабжают также рядом характерных сечений и разрезов.

Соответственно характеру объекта проектирования меняется состав примитивов базиса геометрического моделирования. Для двумерных объек тов подобными примитивами являются линии различного типа: прямые, ана литически определенные кривые, лекальные кривые, задаваемые таблично либо композицией аналитических кривых (сплайнами). Для трехмерных объ ектов примитивами геометрического моделирования являются поверхности различного типа: плоскости, аналитически заданные криволинейные поверх ности, скульптурные поверхности, задаваемые таблично и т. д.

4. Геометрическое моделирование двумерных объектов 4.1. Процедуры синтеза геометрической структуры В результате геометрического моделирования плоских объектов фор мируются плоские фигуры, состоящие из отрезков кривых, носителями кото рых являются примитивы (рис. 3).

Задачами процедур геометрического моделирования является опреде ление границ (точек) каждого отрезка. Эти границы (точки) могут задаваться принудительно (координатами) в исходном описании объекта либо вычис ляться в результате выполнения процедур.

Следует отметить неоднознач ность решения задач формирования геометрической структуры. Два носителя Н1 и Н2 типа окружности с радиусами R и R2, имеющие два пересечения в точках А и В (рис. 4, а), могут образо вывать фигуры, изображенные на рис. 4, б–д.

Рис. 3. Плоская фигура, образован При назначении на носителях на ная пересечением трех носителей:

прямой 1, окружности 2, параболы 3 чальных и конечных граничных точек для фигуры, изображенной на рис. 5, а, возможно образование двух новых плоских фигур (рис. 5, б и в).

Рис. 4. Примеры неоднозначности решения задачи синтеза геометрической структуры Рис. 5. Варианты новых фигур ( б и в ), образованных при задании граничных точек хнyн, хкук Языки, описывающие геометрическую конструкцию, должны содер жать операторы геометрического синтеза фигуры Ф на основе геометриче ских примитивов — носителей Н:

Ф = Г(Н1, Н2,..., Нi). (4.1) В (4.1) Г – операция геометрического синтеза, которая аналогична опе рациям теории множеств. Базисом таких операций являются операции пере сечения, объединения и вычитания. На основе базисных операций могут со ставляться более сложные процедуры геометрического синтеза. Заметим, что операции геометрического синтеза (4.1) могут осуществляться на более сложных образованиях, т. е. на синтезированных ранее фигурах.

Носители Н в металингвистической форме определяются в виде <носитель> ::= <имя носителя> <тип носителя><параметры носителя>. (4.2) Для рассматриваемого случая рис. 4, а (имена) идентификаторы носи телей – H1 и H2, тип носителя — окружность, параметры носителя – коорди наты центров окружностей х1, у1;

х2, у2 и радиусы R1 и R2. Результатом вы полнения процедуры геометрического синтеза являются фигуры (рис. 4, б–д), представленные семантической конструкцией <фигура> ::= <имя фигуры> <Н1> <Н2><тип операции>. (4.3) Здесь Н1 и Н2 являются операторами ссылки на их полные описания (4.2). Имена фигур – Фi, i = 14, которые синтезируются в соответствии с ти пом операции. Далее фигуры могут быть модифицированы путем задания граничных точек, определяемых парами координат и направлениями обвода (рис. 5).

Конечным результатом операции синтеза плоской фигуры на основе примитивов системы геометрического моделирования должна быть семанти ческая конструкция, состоящая из упорядоченного списка отрезков, выпол ненных на носителях:

<объект проектирования> ::= <имя объекта>{<отрезок>};

<отрезок> ::= <тип носителя><параметры носителя><координаты границ> <на правление обвода>. (4.4) Здесь и далее { } – многократно повторяющаяся упорядоченная семан тическая конструкция (кортеж).

Некоторые элементы конструкции были пояснены выше. Элемент <ко ординаты границ> – пары ху начала и конца отрезка. Элемент <направление обвода> – некоторый идентификатор, определяющий правило выделения из носителя той или иной части.

Семантическая конструкция (4.4), описывающая плоский объект в виде набора соответствующих отрезков, является достаточно общей. В подобной форме семантическая конструкция уже является информационной (в данном случае геометрической) моделью объекта, записываемой в оперативную базу данных как результат проектных работ. Над этой моделью далее совершают ся операции, такие как формирование документации и информации для обра ботки в производстве. Первоначально отдельные позиции в этой конструк ции могут быть пустыми, и задача проектных процедур синтеза фигуры за ключается в их заполнении.

Предложенная схема синтеза плоской геометрической фигуры не един ственная. Возможны и другие варианты. В интерактивных диалоговых режи мах практически может синтезироваться любой реквизит (позиция) конст рукции (4.4).

4.2. Процедуры манипуляции Изменение геометрических параметров объекта без изменения его то пологических свойств, определяемых семантической структурой (4.4), осу ществляется процедурами манипуляции. В их состав входят две основные процедуры афинных преобразований: поворот координатных осей и перенос начала координат объекта в новую точку.

На рис. 6 базовая точка объекта Б имела в начальном положении коор динаты 0, 0 относительно базовой системы координат и оси координат х, у, совпадающие с базовыми;

в конечном положении координаты х0, у0 базовой точки и оси повернуты относительно базовых на угол. Элементарными пе ресчетами могут быть получены новые координаты х'i, у'i точек фигуры в ба зовой системе координат.

Рис. 6. К процедурам переноса и пово- Рис. 7. К процедуре масшта рота осей плоских фигур бирования плоской фигуры по двум осям (а), по од ной оси (б) Другой процедурой манипуляции является процедура масштабирова ния, т. е. изменения масштабов вдоль осей. Строго говоря, процедура мани пуляции не затрагивает структуры объекта в случае, когда масштаб изменя ется одновременно по всем осям (рис. 7, а). Если же фигура вытягивается только вдоль одной оси либо несимметрично по осям, то произойдет измене ние типа носителя. Последнее приведет к структурным нарушениям, по скольку кривая одного типа заменяется другой (рис. 7, б). Например, при растягивании окружности по одной оси она модифицируется в эллипс.

4.3. Процедуры размещения и компоновки Рассматриваемая задача состоит в размещении группы конструктивно оформленных элементов, имеющих определенную геометрическую форму, в заданном объеме или на плоскости. Как любые процедуры синтеза, процеду ры компоновки и размещения должны иметь систему варьируемых парамет ров и критериальных показателей. К компоновке следует отнести процедуры, в которых и параметры, и показатели имеют чисто геометрическое толкова ние. Это, по сути, размещение, удовлетворяющее габаритным ограничениям.

В задачах размещения оценочными критериями могут быть самые различные показатели, в том числе и функциональные.

Для двумерных объектов задача компоновки может считаться фор мально разрешимой на основе алгоритмических методов. Что касается задачи размещения, то ее решение связано с необходимостью учета ряда дополни тельных критериев. Размещение является тем самым случаем, когда конст рукторское проектирование входит в контакт с функциональным. Если к то му же оценочные критерии связаны с неформальными понятиями, такими, например, как эстетика интерьера, то, естественно, выбор решений не явля ется чисто формальной процедурой.

Рассмотрим некоторые возможные варианты решения задач компонов ки и размещения при геометрическом моделировании. Простейшим вариан том является процедура мультипликации. Аппарат этой процедуры автома тически многократно повторяет объект с заданным шагом размещения в раз личных точках несущей конструкции или чертежа. Здесь регулирующими параметрами являются шаг и число мультипликации.

К этому же классу задач относится размещение электрорадиоэлементов (ЭРЭ) на плате, ячеек в блоке, блоков в шкафу, размещение станочного обо рудования в цехе. Критериями решения таких задач кроме чисто геометриче ских являются суммарные длины магистралей. По содержанию алгоритма аналогична задача раскроя, связанная с размещением выкроек на исходном листе заготовки материала. Эта задача чисто компоновочная, поскольку по казатели связаны с габаритными ограничениями.

4.4. Процедуры геометрического анализа Рассмотренные выше процедуры относились к группе синтетических, поскольку в результате их действия либо создавалось геометрическая струк тура объекта, либо выбирались его геометрические параметры. Остановимся на некоторых аналитических процедурах, которые решаются при геометри ческом моделировании плоских объектов.

Вопросы анализа возникают в любой из рассмотренных выше проект ных задач. Если геометрические параметры оригинального плоского объекта, представленные в (4.4), выбраны разработчиком, то проверка корректности этих решений является задачей анализа. Например, если вручную заданы па раметры носителей и границы отрезков, то задание является избыточным и ряд точек может быть проконтролирован на их взаимное соответствие. В этой же задаче состав параметров может быть неизбыточным, а контроль корректности заключается в определении точек пересечения двух носителей.

Поскольку контур объекта должен быть непрерывным, то отсутствие пересе чений говорит о некорректности исходного задания.

В задачах размещения проверка корректности связана с контролем не пересечения элементов либо выходов их за габариты несущей конструкции.

Аналогичен по смыслу контроль задачи раскроя материала. К этой группе процедур анализа примыкают процедуры геометрических контрольных рас четов. Главное их содержание в плоских задачах связано с расчетами рас стояний от точки до точки, от точки до прямой или минимального расстоя ния от фигуры до другой фигуры.

К процедурам анализа относятся также процедуры расчета площади фигуры, ее моментов инерции, массы и т. д.

Процедуры формирования геометрических заготовок следует рассмат ривать в СГМ, поскольку они являются общими для систем подготовки гра фической документации, отображения и выпуска управляющих программ для станков с ЧПУ. Задача формирования подобных заготовок характерна для объемных фигур, и ее рассмотрение будет проведено ниже.

5. Геометрическое моделирование трехмерных объектов 5.1. Процедуры синтеза геометрической структуры Построение геометрического образа трехмерного объекта проектиро вания является одной из наиболее сложных задач автоматизированного кон структорского проектирования. Отметим некоторые особенности рассматри ваемой задачи. Геометрический образ должен быть точным, т. е. должен быть описан либо в форме аналитических выражений, либо таблично с погрешно стью, не превышающей погрешности механической обработки объекта.

Форма описания должна быть достаточно компактной, т. е. по объему зани маемой памяти не превышать определенных требований, существующих в системе проектирования. Способ описания объекта должен обеспечить все возможные операции над моделью объекта, необходимые для ее отображе ния в графической форме на экранах дисплеев и на чертежах. Содержание геометрической информации должно быть достаточным для подготовки дан ных для станков с ЧПУ.

Указанные особенности являются, по сути, требованиями, определяю щими форму конечного представления информационной модели объекта, по лученной в результате синтетических процедур.

Одной из компактных и точных форм представления объекта является его описание в виде совокупности граней. Каждая из граней при этом задает ся аналитически в виде образующей поверхности (носителя) и совокупности ребер (гирлянд), обрамляющих эту грань (рис. 8).

Элементарным объектом проектирования является деталь, представ ляющая собой неразъемную трехмерную фигуру, имеющую неразрывную наружную поверхность. Деталь является основой любого объекта конструк торского проектирования. Болеесложные конструкции образуются компо новками отдельных деталей.

Рис. 8. Грань: П – поверхность но сителя;

Pi – обрамляющие ребра Рис. 9. Пример детали, образованной пересечением конуса 1, шара 2 и параллелепипеда Каждая такая деталь может образовываться на основе элементарных геометрических фигур (рис. 5.9), состоящих, в свою очередь, из совокупно сти поверхностей. Таким образом, деталь в итоге может быть представлена в виде совокупности соприкасающихся граней. Деталь в этом смысле является структурой, элементами которой являются поверхности, а геометрические связи между элементами определяются совокупностью ребер.

Геометрическая модель детали по аналогии с (4.4) может быть записа на в виде лингвистической конструкции <деталь> ::= {<грань>}, (5.1) т. е. деталь в итоге представляется совокупностью граней. В свою очередь, <грань> ::= <поверхность> {<ребро>}<область определения поверхности>. (5.2) Выражение (5.2) формализует положение, согласно которому каждая грань описывается поверхностью и совокупностью обрамляющих ребер. В этом выражении конструкции <область определения поверхности> необхо дима для ликвидации неопределенности, т. е. определения той части поверх ности, которую выделил конструктор. Задачу ликвидации неопределенности можно решать по-разному. Напомним, что синтез детали является структур ным синтезом и решается в режиме диалога, поэтому не исключено активное участие человека в задаче выделения нужной области.

Поясним на примере детали, представленной на рис. 9, способы фор мирования информационной (геометрической) модели. Деталь состоит из со вокупности трех геометрических фигур: конуса, шара и параллелепипеда, объединенных между собой операциями геометрического синтеза:

<Ф> = Г(Ф1, Ф2, Ф3). (5.3) В (5.3) Г – оператор геометрического синтеза, аналогичный (4.1);

Ф Ф2, Ф3 – исходные фигуры (конус, шар, параллелепипед);

Ф – вновь образо ванная фигура — деталь.

Конус образуется двумя поверхностями: конической и плоскостью (рис. 10, а). Плоскость 2 перпендикулярна оси конуса и находится на рас стоянии Н от его вершины. Конус — круглый, т. е. имеет в основании круг.

Центральный угол конуса к. В общей системе отсчета 0xyz вершина 0кхк имеет координаты хк, ук, zk. Направляющие углы к, к, к оси конуса 0кхк по казаны на рис. 10, б.

Рис. 10. Конус, образованный конической поверхностью 1 и плоскостью 2 (а) и сис тема координат конуса (б) Формально семантика конуса может быть записана согласно (5.1) в виде двух граней:

<конус> ::= <коническая грань> <плоская грань>, где согласно (5.2) <коническая грань> ::= <коническая поверхность (КП)> <параметры КП> <ребро КП> <область определения КП>;

<плоская грань> ::= <плоскость (П)> <параметры П> <ребро П> <область оп ределения П>.

Здесь <коническая поверхность (КП)> и <плоскость (П)> – имена носите лей.

<параметры КП> ::= <хк, ук, zк, к, к, к, к>;

<ребро КП> ::= <окружность (O)> <параметры O> <направление обвода> <ко ординаты границ>.

Конструкция <ребро КП> – окружность, образованная пересечением по верхности конуса и плоскости, параметрами которой являются координаты ее центра х0, у0, z0, радиус R и параметры ориентации плоскости, в которой лежит окружность. Так как в рассматриваемом случае окружность замкнута, то два последних реквизита в семантической конструкции <ребро КП> пустые и могут быть исключены.

Напомним, что согласно (4.4) направление обвода является логическим условием, определяющим ту часть замкнутой кривой (в данном случае ок ружности), которая должна быть использована. Понятие <направление обвода> для кривой аналогично понятию <область определения> для поверхности.

Таким образом, конструкция <ребро КП> преобразуется к виду <ребро КП> ::= <окружность> <х0, у0, z0, R> параметры плоскости>. (5.4) В этой конструкции <параметры плоскости> – ссылка на описание по верхности.

Задача реквизита <область определения конической поверхности> заключает ся в определении тех точек поверхности, которые принадлежат рассматри ваемой структуре. В данном случае это условие удобно записать в системе координат, связанной с конусом (рис. 10, б), в виде хк Н. (5.5) Вторая часть этой конструкции <конус> связана с описанием плоской грани. В описании <плоская грань> реквизит <параметры плоскости> является па раметром процедуры, которая определяет (вычисляет) координаты, принад лежащие плоскости. Существует ряд способов описания плоскости. В данном варианте плоскость удобно рассматривать в системе координат конуса, про ходящей через точку хк = Н, y = z = 0 перпендикулярно оси хк. Тогда единст венным параметром, определяющим положение в плоскости в системе коор динат конуса, будет значение Н, т. е.

<параметры плоскости> ::= <Н>.

Поскольку граничные ребра плоскости аналогичны граничным ребрам конуса, то описание этого реквизита можно заменить ссылкой на <ребро плоскости> ::= <ребро КП>.

Область определения плоскости может быть по аналогии с (5.4) пред ставлена в виде логического выражения, определяющего условие существо вания любой точки поверхности круга, ограниченной окружностью радиуса R:

r = z2 + y2 R, (5.6) где z и у – координаты произвольной точки плоскости в системе координат, связанной с конусом (рис. 10, б). Соответственно реквизит <область определения плоскости> ::= < z2 + y2 R >. (5.7) Таким образом, полностью оформлено (синтезировано) описание гео метрической фигуры (конуса), состоящей из двух поверхностей. Собирая во едино все отработанные реквизиты (5.4) – (5.7) общей конструкции <конус>, получаем полное описание <конус> ::= <коническая поверхность> <хк, ук, zк, к, к, к, к>, <окружность> < х0, у0, z0, R> <хк Н>, <плоскость> <Н> <окружность> < z2 + y2 R >. (5.8) В подобном виде геометрическая фигура <конус> является семантиче ски (содержательно) законченной конструкцией и представляет собой гео метрическую модель конуса. В зависимости от дальнейшего использования эта конструкция подвергается модификациям и дополнениям, которые связа ны с манипуляциями над геометрической моделью (объединение с другими моделями, получение проекций и сечений и т. д.).

Шар является второй геометрической фигурой, представленной на рис.

9, и описывается одной поверхностью. В исходной форме шар не имеет до полнительных граней, не требует формирования условия существования об ласти определения. Если поместить центр шара в начало координат базовой системы, то параметром поверхности будет только радиус шара Rш. Тогда в окончательном виде для рассматриваемого примера семантическую конст рукцию, описывающую шар, можно представить в виде <шар> ::= <шаровая поверхность (ШП)> <параметры ШП>.

Здесь <параметры ШП> ::= Rш.

Параллелепипед является третьей геометрической фигурой рассматри ваемой детали. Ребра его представлены отрезками прямых, ограниченных точками начала и конца. Центр осей координат фигуры смещен вдоль оси z относительно базовой системы координат. Оси параллелепипеда xп, yп, zп па раллельны базовой системе (рис. 11).

Рис. 11. Параллепипед (а) и его грань (б) Фигура имеет шесть граней с индексами j = 16;

каждая грань имеет по четыре ребра Рij, i =14;

каждое ребро – точки начала и конца Hij, Кij, пред ставленные тройками цифр:

Hij = (xij, yij, zij)н;

Кij = (xij, yij, zij)к (5.9) В нашей постановке область определения j-й границы находится из ус ловий i i (5.10) { } { } j jj min max i i где = х или у или z;

индексы ij определены выше.

Положение j-й грани определяется направляющими косинусами {mjx, mjy, mjz}. В соответствии с выбранной системой координат mj равны ± 1 или 0.

Таким образом, параллелепипед в результате синтетических операций приводится в окончательном виде к следующей лингвистической конструк ции:

<параллелепипед> ::= {<грань Гj>};

<грань Гj> ::= <плоскость> <параметры плоскости Гj>;

<область определения Гj> <ребро j-й грани (Рij)> (5.11) Здесь <параметры плоскости Гj> ::= <область определения> – совокупность выражений (5.10).

Последним элементом в лингвистической структуре (5.11) являются ребра j-й грани, обозначенные Рij где i = l4 – индекс ребра грани. Ребра представлены отрезками прямых, не требуют для своего описания указания направления обвода (4.4) и однозначно определяются в пространстве коор динатами начала и конца каждого ребра. В соответствии с принятой ранее формой описания плоских фигур (4.3) и правилами индексации ребер лин гвистическая конструкция ребра определяется следующим образом:

<Рij> ::= <прямая> <координаты начала (Hij) и конца (Кij)>, где координаты Hij, Кij представлены парой точек (началом и концом) (5.9).

Далее можно приступить к последнему шагу рассматриваемого про цесса синтезирования детали (рис. 9) на основе описаний трех геометриче ских фигур <конус>, <шар>, <параллелепипед>.

Как видно из рис. 9, конус пересекается с шаром, а шар с параллелепи педом. В результате, первого пересечения коническая поверхность (КП) при обретает новое ребро (рис. 12), которое условно назовем Ршк (ребро шар – конус). Описание этого ребра должно дополнить конструкцию (5.8). Помимо этого появляется необходимость в изменении области определения кониче ской поверхности, которая ранее была выражена (5.5) Рис. 12. Пересечение ко- Рис. 13. Пересечение ша нуса с шаром ра с параллелепипедом Подобные преобразования должны коснуться и описания шара. В ре зультате пересечения шара с параллелепипедом образуется ребро Ршп (ребро шар – параллелепипед) (рис. 13), и требуется найти области определения по верхности шара и верхней грани параллелепипеда.

Таким образом, на последнем шаге синтеза детали возникают две зада чи: добавить к ранее образованным граням новые ребра и сформулировать для всех инцидентных граней области определения образующих поверхно стей.

Рассмотрим способ формирования ребер. В общем случае ребро пред ставляет собой пространственную кривую. По определению пространствен ной кривой ее описание дается в виде уравнений двух пересекающихся по верхностей F1(x, у, г) = 0, F2(x, у, z) = 0. (5.12) Задавая одну из координат в качестве независимого параметра (пусть это будет координата z), можно разрешить эту систему уравнений относи тельно двух других координат х и у и получить выражение для их расчета в явной аналитической форме x = fx(z), y = fx(z) (5.13) Таким образом можно получить пространственную кривую, образо ванную, например, пересечением шара и конической поверхности.

В более сложных случаях зависимость типа (5.13) можно найти чис ленными методами в виде табличных данных. Для компактного представле ния эти табличные зависимости x = fx(z);

y = fy(z) следует аппроксимировать.

Так решается первая задача – определение вновь образованных ребер.

По сути дела она сводится к пошаговому решению системы уравнений (5.12) при заданном z:

F1(x, у, г) = 0, F2(x, у, z) = 0, z = const. (5.14) Определенная трудность возникает, когда существует несколько кор ней системы уравнений (5.14). Общие методы в данном случае навряд ли мо гут быть предложены. Для каждой конкретной пары пересекающихся по верхностей F1 и F2 может быть предложен алгоритм численного решения (5.14).

Системы геометрического моделирования обычно строятся на ограниченном бази се. При структурном синтезе трехмерных деталей таким базисом являются поверхности первого и второго порядка. Поверхности первого порядка – это плоскости. К поверхно стях второго порядка относятся шаровые и цилиндрические поверхности, эллипсоиды и т.

д. Число подобных поверхностей ограничено (порядка десяти), а потому возможные ком бинации пар поверхностей также составляют вполне обозримое множество. Для каждой такой пары может быть составлена процедура нахождения полного состава корней (5.14) и соответственно точек кривой пересечения поверхностей при фиксированном зна чении координаты z.

Вторая задача заключается в нахождении области определения грани.

Для частных случаев эта задача рассматривалась выше и сводилась к состав лению условий, определяющих координаты точек требуемой области. В слу чаях (5.6) и (5.10) задача сводилась к заданию диапазона изменения коорди наты в связанной с элементарной фигурой системе координат. При этом пре делы задаются численно. Надо полагать, что подобный способ заданий наи более удобен. Трудность возникает в разработке алгоритмических процедур, формирующих систему неравенств для общего случая, когда ребра заданы параметрически в форме (5.13).

На рис. 14 представлен эллипсоид, который является образующей поверхностью для грани (на рис. заштрихована). Грань Г имеет четыре ребра, каждое из которых задано в соответствии с (5.13) парой xi = f ix(z) и, yi = f ix(z), i =14. Ребра пересекаются в вершинах с координатами хj, уj, zj, j =14. Точка А принадлежит эллипсу, и значения ее координат х, у, z должны удовлетворять условию нахождения точки внутри грани.

Рис. 14. К определению грани на Рис. 15. К определению грани и следа эллипсоиде картографическим способом:

1– участок следа внутри грани;

2 –участок следа вне грани Визуально это устанавливается однозначно, поэтому при традиционных методах проектирования задача выяснения принадлежности точек той или иной части поверхности не возникает. Вычислительными методами геометрического моделирования формально определяется такое понятие, как «нахождение точки вне или внутри области» в виде соот ветствующего логического выражения или отношений типа неравенств. Частные типы этих отношений для некоторых примеров были приведены выше.

Рассмотрим более общий метод. Каждый тип поверхности имеет свою систему из мерения положения точек на поверхности. В частности, для эллипсоида, рассмотренного на рис. 14, аналогом такой системы измерения может служить картографическая система параллелей и меридианов. Указанием диапазона широт и долгот может быть определена зона существования интересующей нас грани (рис. 15) с точностью, достаточной для ре шения последующих задач получения проекций и различного типа сечений грани.

Проекции нужны для построения чертежей или отображений, частично для этих целей служат сечения. Главная же задача сечений состоит в получении траектории движе ния обрабатывающего инструмента, например, фрезы. Для объемной детали подобные траектории получаются в виде следов от пересечения рассматриваемой грани некоторой секущей плоскостью. Семантическая конструкция <область определения> должна обеспе чить выделение из общего следа сечений нужного участка следа. В рассматриваемом на рис. 15 варианте образуются два участка следа от сечений поверхности плоскостью. Один участок лежит внутри интересующей зоны, другой вне ее.

В картографической системе координат участки, лежащие внутри грани, могут за даваться неравенствами 1 2, 1 2.

5.2. Другие характерные процедуры геометрического моделирования Для геометрического моделирования трехмерных объектов характерны те же типы процедур геометрического моделирования, что и для плоских объектов. В их состав помимо рассмотренных выше процедур синтеза гео метрической структуры входят процедуры манипуляции, компоновки, раз мещения геометрического анализа и формирования заготовок для других подсистем. При выполнении указанных процедур для трехмерных объектов требуется солидный набор алгоритмических методов, опирающихся на ана литическую и дифференциальную геометрию и вычислительную математику.

Отметим ряд характерных особенностей рассмотренных процедур и области их использования.

Процедуры манипуляции по содержанию повторяют плоский вариант, реализация процедур связана главным образом с вычислительными трудно стями и соответственно с временем счета. Процедуры реализуют повороты и перемещение объекта в трехмерном пространстве и изменение масштаба.

Процедуры являются составной частью общего процесса синтеза структуры сложного объекта на основе использования примитивов или других элемен тов базиса геометрического моделирования.

Элемент базиса геометрического моделирования, как правило, удобно в смысле компактности и наглядности отображать в системе координат, свя занной с его осями. Элементы базиса используются для построения более сложного объекта, который имеет собственную систему координат. Относи тельно этой системы координат элементы смещаются и поворачиваются раз личным способом. Одна из процедур манипуляции состоит в приведении уравнений всех поверхностей к единой системе координат, т. е. в учете сме щения объекта манипуляции относительно исходной системы координат х, у, z на x0, y0, z0 и ее поворота на углы,,. Преобразования эти достаточно громоздки, и их можно найти в справочниках по математике.

Компоновка трехмерных объектов едва ли не одна из главных задач конструкторского проектирования. Здесь следует учитывать ряд критериаль ных показателей. В их число входят и такие показатели, которые формально не определяются: критерии производственной эстетики, удобство эксплуата ции, простота доступа для ремонта и профилактических осмотров и т. п.

Задача размещения помимо этого учитывает большое число функцио нальных показателей объектов проектирования, таких как тепловые, элек трические и т. д.

При проектировании летательных аппаратов или кораблей компоновка должна строиться с учетом размещения центра тяжести, положение которого непосредственно связано с устойчивостью объекта. Компоновка трехмерных объектов связана в большинстве случаев с установкой широкой номенклату ры разногабаритных элементов в ограниченном объеме. Исходя из этого за дача компоновки трехмерных объектов в САПР решается, как правило, в диалоговом режиме. При этом возможны различные сценарии подобного диалога. Например, первоначальное размещение оборудования в здании мо жет определяться формальной процедурой. Более тонко размещение прово дится человеком с учетом эксплуатационных и эстетических критериев с по следующей его проверкой на ЭВМ по ряду формальных критериев.

В качестве специфической для трехмерного варианта следует рассмот реть задачу раскроя. Для двумерного варианта это типичная задача размеще ния шаблонов на листе материала, обеспечивающего минимум отходов. Для трехмерного варианта подобная задача, естественно, не ставится и термин «раскрой» используется в другом смысле, не имеющем прямого отношения к задачам размещения. Это понятие связано с формированием на плоском лис те материала конфигураций отдельных фрагментов обшивки корпуса различ ных устройств (например, летательного аппарата или судна).

Задача эта аналогична задаче «выкройки», которую решает закройщик на основе шаблонов, настраиваемых по параметрам заказчика. Следует отметить, что задача за кройщика в определенном смысле сложнее, поскольку поверхности, подлежащие разверт ке на плоскости, не имеют аналитического описания и принадлежат к типу так называе мых скульптурных поверхностей, и решается эвристически на основе опыта закройщика.

Можно экспериментально подобрать алгоритм, связывающий входные размеры (парамет ры заказчика) с геометрическими параметрами шаблонов, и создать на этой основе про граммное обеспечение для управления нарезкой материала.

В случае, когда рассматриваются формально определенные поверхно сти, задача может быть сведена к следующей последовательности операций.

Полагается, что геометрическая структура объекта синтезирована и описана в виде совокупности граней (5.1), каждая из которых представлена в форме (5.2). Задача далее решается на декомпозиционных принципах: грани, пред ставляющие собой поверхности, ограниченные ребрами, рассматриваются независимо.

Для каждого класса поверхностей должна быть сформирована проце дура развертки поверхности на плоскости. Развертка на плоскости предпола гает ее фрагментацию на плоские элементы (рис. 16). Развернутая поверх ность покрывается разверткой граней. Последняя операция представляет со бой отображение ребер грани на развернутой поверхности. В результате этих операций создаются плоские фрагменты (рис. 16, б).

Рис. 16. К формированию фрагментов грани:

а – исходные поверхность 1 и грань 2;

б – развернутые поверхность 3 и грань 4;

в – фрагменты развернутой грани Формирование фрагментов является синтетической процедурой. Ее можно представить в виде либо некоторой расчетной операции (рис. 17, а), либо поисковой итерационной процедуры (рис. 17, б).

Рис. 17. Варианты схем формирования фрагментов раскроя В первом случае по заданным критериям и описанию грани процедура позволяет получить решение в виде параметров фрагментов развертки;

во втором – параметры фрагментов подбираются, а математическая модель ото бражает связь между параметрами фрагментов развертки и критериальными показателями. Такими критериальными показателями будут число фрагмен тов и точность воспроизведения поверхности при ее сшивке из фрагментов.

После решения задачи получения плоских фрагментов грани может быть по ставлена задача оптимального размещения фрагментов на плоскости листо вого материала (т. е. уже рассмотренная в п. 4.3 задача раскроя материала в плоской интерпретации).

Рассмотрим процедуры анализа в системе геометрического моделиро вания. Главное содержание процедур анализа состоит в проверке решений, принимаемых разработчиком. При синтезе деталей на основе примитивов трехмерного геометрического моделирования возможны различные ситуа ции, при которых необходимо проверять правильность принимаемых реше ний. Характерным примером является контроль на пересекаемость поверхно стей. Здесь может возникать ряд задач, связанных с анализом непрерывности поверхности детали, т. е. с наличием пересечений поверхностей, выходом крайних точек детали за допустимые границы. Если информация избыточна, то она обязательно контролируется на взаимную совместимость. Здесь задача близка по постановке к задаче на плоскости.

При размещении и компоновке основная функция программ анализа связана с проверкой непересекаемости и невыхода элементов группы за габа риты.

Существует ряд задач анализа принимаемых конструкторских решений на соответствие функциональным критериям. Такие задачи могут требовать создания функциональных моделей, хотя в принципе это не обязательно. Так, в задачах компоновки зачастую ставятся вопросы совместимости элементов различного назначения. Чтобы решать эти задачи, достаточно иметь списки несовместимости групп элементов и при размещении запрещать подобное соседство.

Непосредственно к анализу относятся также метрические процедуры расчета расстояний между любыми поименованными точками пространст венной модели, точкой и поверхностью и т. д. К ним же примыкают расчеты площадей, объемов, весов и моментов инерции синтезируемых деталей.

В завершение раздела геометрического моделирования следует остано виться на процедурах формирования заготовок для других подсистем конст рукторского проектирования.

По сути, конечной задачей системы геометрического моделирования является формирование пространственных образов деталей и сборок в виде, удобном для дальнейшего использования в подсистемах отображения объек та, формирования графической документации и технологической подготовки производства. Форма описания структуры в виде набора граней представля ется в этом смысле наиболее удобной и соответствующей этому конечному назначению.

Семантическая конструкция <грань> (5.2) имеет два основных реквизи та: поверхность (с областью ее определения) и набор ребер. Каждое ребро, в свою очередь, отражается пространственной кривой, задаваемой в парамет рической форме (5.13), и граничными точками для каждого ребра. Если вы ражения типа х = fx(z), y = fy(z) дополняются диапазоном значений z, в кото ром существует кривая, то условия для построения любой проекции ребра достаточны.

Для подсистем отображения и формирования графической документа ции получение проекций ребер на различные плоскости является общей за дачей и составляет основу представления грани на экранах и чертежах. Это отображение должно дополняться проекцией контура поверхности на плос кость. Задача получения проекции контура поверхности сводится к нахожде нию сечения или нескольких сечений, параллельных плоскости проекции.

Таким образом, формирование заготовок для подсистем графического отображения и формирования графической документации (см. рис. 1) вклю чает получение проекций ребер на плоскости и сечений поверхностей плос костями. К формированию заготовок следует отнести также процедуры по лучения разверток граней, образованных на пространственных поверхностях, рассмотренных выше. Эти процедуры одновременно готовят как безразмер ный чертеж (выкройку), необходимый для отображения, так и управляющую программу для технологического автомата раскроя материала.

Конечной задачей конструкторского проектирования является форми рование документации, которая служит средством интерфейса между про ектным бюро и подсистемой технологической подготовки производства. При наличии геометрической модели объекта проектирования появляется воз можность перехода к безбумажной форме интерфейса. В задачи интерфейса входит построение пространственных кривых, необходимых для формирова ния траектории движения инструмента.

Возможны два варианта построения траектории инструмента: в виде непрерывной линии типа винтовой, охватывающей с определенным шагом поверхность обработки, и в виде следа от среза поверхности секущими плос костями. Во втором случае образуются террасообразные замкнутые траекто рии. Переход с одной траектории на другую осуществляется скачками. В обоих случаях образование траектории должно проводиться с учетом геомет рических параметров режущей кромки инструмента. Задачи подобного типа решаются процедурами геометрического моделирования с учетом парамет ров инструмента и режимов резания.

6. Системы графического отображения конструкторского проектирова ния 6.1. Функции системы графического отображения Основная функция системы графического отображения (СГО) состоит в визуальном наблюдении принимаемых конструкторских решений на тер минальных устройствах. Подобными устройствами в первую очередь явля ются графические дисплеи и графопостроители. Функции СГО реализуются путем перевода геометрического образа объекта в графической с последую щей перекодировкой этого образа в систему команд исполнения. В число процедур, обеспечивающих визуализацию, входят выделение отдельных фрагментов графики и их акцентрирование, укрупнение масштаба, ликвида ция ненужных для наблюдения линий и т. д.

Общая схема преобразования исходной геометрической модели в гра фический образ, ориентированный на конкретное техническое устройство отображения, дана на рис. 18.

Рис. 5.18. Схема преобразования геометрической модели в изображение Исходная геометрическая модель синтезирована в СГМ и представлена в виде совокупности граней. Далее осуществляется ряд подготовительных работ. Объект может быть предварительно обработан с помощью процедур формирования сечений и проек ций, обеспечивающих преобразование гео метрического образа в форматы отображения. Специально для отображения могут формироваться аксонометрические проекции объекта и проекции типа общего вида при наблюдении с различных точек.

Полученные тем или иным способом образы, предназначенные для отображения, транслируются в базу данных СГО, т. е. графический образ вы ражается в примитивах СГО с соблюдением синтаксических правил пред ставления данных. По схеме рис. 5.18 эта операция соответствует процедуре перевода образа в примитивы СГО. После выполнения рассмотренной опера ции появляется новый (графический) образ объекта. Таких образов может быть много, в зависимости от числа видов отображений. Между базовой гео метрической моделью и ее производными графическими образами устанав ливаются структурные соответствия.

Описание объекта в базе данных СГО должно быть стандартным, инва риантным к техническим средствам. Для воспроизведения графического об раза тем или иным техническим средством отображения служат блоки пре образования данных СГО в рабочий файл (массив) отображения. Эти блоки образуют программный интерфейс между базой данных и средствами ото бражения, т. е. переводят стандартное описание графического образа (текст СГО) в форму, необходимую для восприятия конкретным техническим сред ством. Такие блоки называют постпроцессорами.

Для удобства наблюдения над отдельными графическими элементами отображения следует проводить манипуляции. Для этих целей служат специ альные директивы. Если директива может быть непосредственно воспринята графическим устройством, происходит ее встраивание в текст, в противном случае директива интерпретируется специальной процедурой. Директивы и процедуры составляют аппарат манипуляции с графическими текстами.

Развивая эту мысль, следует отметить, что по мере роста «интеллекта» графических устройств они могут выполнять все большее число директив, не требуя программной поддержки. Это связано с использованием микропро цессорной техники. Как показывает опыт, развитие способов аппаратной реализации директив (вместо программной), основанной на использовании микропроцессоров с непрограммируемой логикой работы, приводит к резко му повышению быстродействия устройства.

Рассмотрим некоторые характерные директивы манипуляции над гра фическими текстами в СГО и способы их реализации. При наблюдении изо бражения в первую очередь необходима его идентификация. Это связано с возможностью выделения одной или группы точек, находящихся в геометри чески заданной зоне, для проведения над ними определенных операций. Если это именованная точка, то под нее подводят маркер на экране дисплея, кото рый ее «захватывает». Захват соответствует совпадению координат маркера и точки. В данном случае точка идентифицирована по положению. В момент идентификации точка акцентируется. Акцентирование может быть достигну то за счет цветовой контрастности, прерывания (мигания) картинки или како го-либо другого признака, подчеркивающего нужный элемент.

Рассмотренная процедура идентификации может быть проведена над любым именованным объектом, представляющим собой совокупность при митивов СГО или базовых элементов, определенных в языке СГО. Для иден тификации достаточно маркер подвести под некоторую условную базовую точку названного объекта. Возможно, что таких точек будет несколько.

Идентифицированная точка (объект) далее является предметом обра ботки: ее можно удалить или заменить. Параметры объекта можно модифи цировать. Модификации, связанные с изменением структуры и параметров объекта проектирования, требуют своего отображения в геометрическом об разе объекта, т. е. изменения описания исходной геометрической модели (см.

рис. 18). Вопрос взаимодействия систем графического отображения с систе мой геометрического моделирования является специальным и обсуждается ниже.

Существенно более сложным процессом идентификации или выделе ния нужной части графического образа является так называемый режим «ок на». Обычно окно выбирается прямоугольным. Процедура выделения окна формирует на плоском образе объекта новый образ. На рис. 19 изображен случай, когда объект набран из графических примитивов, т. е.

представляет собой набор (гирлянду) плоских кривых различного вида.

Идентификация и преобразование объекта происходят за счет изменения текстов, выраженных в примитивах СГО (см. рис. 18).

В рассматриваемом случае задача Рис. 19. К формированию «окна» на графическом изображении:

сводится к частичной замене текста а – исходное изображение;

б –выделенная СГО. Если границы «окна» (рис. 19) часть изображения определяются двумя парами точек, то в выделяемом тексте остаются все точки текста с координатами, отвечающими условиям x1 x x2, y1 y y и, кроме того, создаются новые граничные точки, образованные пересечени ем кривых исходного текста СГО с вертикальными и горизонтальными гра ницами «окна»:

x1 = const, y1 = const;

x2 = const, y2 = const.

Выделенный таким образом фрагмент графического образа объекта да лее может быть модифицирован. Как и ранее, следует рассматривать две группы модификаций. Первая группа выполняется процедурами, обеспечи вающими удобство наблюдения. К ним прежде всего относятся изменение масштаба изображения, акцентирование отдельных элементов или всего вы деленного фрагмента. Средствами акцентирования являются градации за светки, прерывание и изменение линий, замена сплошных линий штриховы ми и т. д. Вторая группа — синтетические процедуры, они связаны с измене нием параметров и структуры геометрического образа выделенного объекта и требуют организации взаимодействия систем геометрического моделиро вания и графического отображения.

7. Системы формирования документации конструкторского проектиро вания 7.1. Функции системы документирования В общем процессе проектирования документирование является завер шающей фазой, фиксирующей (отображающей) результаты проектирования в форме документации, главное назначение которой заключается в обеспече нии производства информацией, необходимой и достаточной для изготовле ния проектируемого объекта. Другой задачей документации является обеспе чение эксплуатации уже изготовленного объекта.

Основной состав документации формируется и изготавливается на эта пе конструкторского проектирования. Конструкторская документация обыч но является исходной для этапа технологической подготовки производства, на котором разрабатывается технологический процесс производства объекта.

В конструкторскую документацию входят графическая и текстовая (таблич ная) документация.

При автоматизированном производстве, включающем станки и автома ты с ЧПУ, на этапе конструкторского проектирования графическая и тексто вая документация могут заменяться (либо дополняться) технологическими управляющими программами для автоматизированного оборудования, т. е.

имеет место совмещение этапов конструкторского и технологического про ектирования.

По мере расширения и развития автоматизированного производства намечается тенденция к переходу к так называемой безбумажной технологии производства, при которой из цепи «проектирование–производство» исклю чается информация на бумажных носителях.

Задачу выпуска конструкторской документации целесообразно рас сматривать в полном объеме с учетом как графической, так и текстовой до кументации. В этом случае система документирования приобретает само стоятельное содержание и имеет помимо СГМ другие источники информа ции. СГМ поставляет только ту часть информации, которая служит для фор мирования графической документации. Графической частью далеко не ис черпывается содержание конструкторских документов. Каждый чертеж по мимо чисто графической части содержит размерные параметры, информацию по точности и способу обработки, сведения о материале и ряд другой сопро вождающей информации.

Все эти данные отображаются на чертеже либо в виде мнемонических знаков, либо в виде текста. Помимо этого текстом передается всевозможная служебная информация. Лист чертежа имеет соответствующее обрамление, паспорт и т. д.

Кроме чертежей, основу которых составляет графика, имеется большое многообразие специальной текстовой документации. Для РЭА основу такой текстовой документации составляют таблицы связей и монтажа, специфика ции, отображающие характеристики комплектующих элементов. Большая часть этой информации, необходимой для формирования текстовой и графи ческой документации, должна храниться в специальных базах данных САПР.

Любой элемент проектируемого объекта может обрести реквизиты, необхо димые для формирования документации, на основе информации этих баз данных системы документирования. Источником формирования документа ции может служить также оригинальная не библиотечная информация, вво димая дополнительно проектировщиком.

Таким образом, формирование документации по спроектированному объекту осуществляется на основе трех основных источников: СГМ, базы данных системы документирования и лингвистических средств пользователя, дополняющих недостающей информацией исходные данные для выпуска документации (рис. 20).

Пользователь Информация для системы Система СГМ документиро документирования вания База данных Рис. 20. Схема информационного взаимодействия в системе документирования Получением информации не исчерпывается процесс формирования до кументации. Информацию необходимо далее разместить и изобразить в со ответствии с правилами оформления документа, нормативами по исполне нию графических и текстовых элементов. Информация, снабженная призна ками начертания и размещения, хранится в стандартной архивной форме в базе данных системы документирования.

Весь процесс сбора информации, размещения и формирования призна ков начертания составляет содержательную часть процедур системы доку ментирования. Результатом работы этой части системы являются сформиро ванные документы, которые хранятся в ее архиве.

Документация в архивах хранится в форме стандартного описания на языке внутреннего представления графической и текстовой информации (ЯГТИ). Этот язык является одним из компонентов лингвистического обес печения САПР. Стандартизация языка позволяет передавать документацию на машинных носителях в любые производственные организации, имеющие в своем распоряжении вычислительные средства, необходимые при изготов лении документации для конкретного производства. Блоки, транслирующие стандартные тексты ЯГТИ в коды их исполнения на конкретных устройствах (постпроцессоры), имеют в качестве входных данных описание документа в кодах ЯГТИ, а выходных— управляющую информацию для конкретного ис полнительного устройства (рис. 21).

Постпроцессоры Система документирования Тексты документов на ЯТГИ Процедуры формирования...

документации Рис. 21. Схема формирования документов 7.2. Автоматизация формирования документации Для автоматизации процесса документирования служат спе циализированный язык и соответствующий интерпретатор этого языка. Это — язык задания конструкторской документации (ЯЗКД), описывающий:

форматы, на которых исполняется документ, имена фрагментов текста, по следовательность процедур преобразования текста, координаты или проце дуры размещения текста, способы изображения текста. Здесь под текстом следует понимать как алфавитно-цифровую, так и графическую информа цию, оформленную по соответствующим синтаксических правилам.

Формат документа – это описание обрамления листов, паспорта и дру гих стандартных позиций, характерных для документа. В задании на ЯЗКД дается ссылка на этот формат, полное описание которого хранится в библио теке базы данных. Далее описываются процедуры формирования текста до кумента и его размещения. Предполагается, что все основные заготовки до кументов выполнены на этапах конструкторского проектирования, а главной задачей этапа документирования является их оформление. Подобными заго товками служат сечения и проекции, получаемые в СГМ. Информация в та кой форме является исходной графической заготовкой (типа «слепыш»), ко торую можно с помощью соответствующих операций превратить в чертеж.

Превращение графического изображения в чертеж можно представить в виде диалогового процесса, при котором осуществляется решение двух основных задач.

Первая связана с оцифровкой заготовки, т. е. с начертанием размерных линий и простановкой размеров;

вторая – с нанесением на чертеж символь ной и текстовой информации в основном о технологических нормах обработ ки. В этом случае в исходный графический текст чертежа вносится символь ный и алфавитно-цифровой текст.

Для решения первой задачи на экран графического дисплея через СГО вызывается необходимая проекция или разрез объекта проектирования – графическая основа будущего чертежа. Указываются и идентифицируются точки (обычно это пары точек), между которыми проставляются размеры.

Этой информации достаточно для формирования выносных и размерных ли ний, расчета и простановки размера. Если при этом следует соблюсти неко торые неформальные требования, связанные с эстетикой чертежа, то инфор Документы на носителях мацию следует дополнить, например, указанием места простановки размера и типа шрифта.

Последовательным выполнением этих операций в интерактивном ре жиме решается первая основная задача. Здесь имеет место типичный взаимо дополняющий интерактивный режим проектирования. Проектировщик наме чает точки, между которыми следует определить размеры, и при необходи мости место простановки размера. Программные процедуры осуществляют одну из трудоемких работ, связанных с вычислением размеров и формирова нием размерных линий. Во второй задаче содержательную часть информации формирует человек, который указывает и место ее размещения на графике.

Таков вкратце процесс формирования графического документа, кото рый основан на использовании совокупности управляющих директив, вы полняемых в диалоговом режиме. Принципиально документ может созда ваться в пакетном режиме. Так в ряде случаев и делается, особенно при фор мировании текстовой документации. Для этих целей формируется задание на выпуск документа в пакетном режиме, в котором указывается формат доку мента, текст и способ его размещения. Текст может задаваться самым раз личным образом. Простейшим способом является его непосредственное опи сание. Но такая форма задания имеет смысл только для постоянной части до кумента, задаваемой однажды. Обычно текстовой документ создается в ре зультате обработки данных этапа конструкторского проектирования с ис пользованием реквизитов базы данных.

7.3. Представление графической и текстовой документации в машинных ар хивах В САПР язык представления графической и текстовой информации, необходимый для отображения результатов проектирования, должен быть аппаратно независим, т. е. форма представления информации в исходном ви де должна быть независима от устройства, на которое она выводится.

Язык должен содержать средства описания графики, оформленной с учетом всех действующих правил изготовления чертежей, технологических документов типа фотошаблонов или плазов, оформленных с учетом конкрет ных требований производства, текстовых документов, оформленных с уче том способов начертания символов и размещения текстов. Информация, как графическая, так и текстовая, должна быть по возможности представлена предельно компактно. Последнее предполагает, что многократно повторяю щиеся символы задаются числом повторений, однажды описанные тексты повторно записываются ссылкой на имена их текстов, общие для группы ин формации данные выносятся за скобки этих групп и в тексте не повторяются.

Указания по форме исполнения, предшествующие тексту, сохраняют свою силу до их отмены.

Для компактности возможно также использование принципа работы по умолчанию. Согласно этому принципу наиболее часто употребляемые формы исполнения графической или символьной информации в тексте языка опус каются и при выполнении текста восстанавливаются трансляторами. Отмена указания «по умолчанию» осуществляется путем записи соответствующего изменения параметра в тексте ЯГТИ.

Язык должен содержать как средства описания содержания информа ции и ее формы, так и средства управления размещением этой информации на листах документа. Семантической конструкцией верхнего уровня такого языка является <лист> = <паспорт листа> {<раздел (текста) >}.

К листу могут быть отнесены единицы любого документа: лист текста, лист чертежа или схемы, фотошаблон слоя платы.

Совокупность таких листов составляет законченный документ. Основ ную содержательную часть графического и символьного текста представляет «абзац». Совокупность «абзацев» составляет раздел:

<раздел> = {<абзац>}.

Абзац объединяет однородную группу элементов отображаемого тек ста. Семантическая конструкция <абзац> имеет два основных реквизита <пас порт (абзаца)> и <список элементов (входящих в абзац)>. В паспорте собраны все данные по способу начертания элементов (графических или символьных) текста, принадлежащего к данному абзацу.

Абзацы можно разделить на ряд групп по содержанию входящих в них элементов. Каждая из таких групп имеет свой характерный паспорт. К первой группе относятся абзацы, содержащие чисто графическую информацию (аб зацы линий). Содержание таких абзацев составляет упорядоченный набор точек с указанием способов интерполяции и ряда характеристик исполнения графики. К этим характеристикам относятся толщины и формы линий (сплошная штриховая и т. д.), цвет их исполнения, признаки размерной ли нии с указанием места размещения стрелки.

Другой разновидностью графической информации служат контуры, подлежащие соответствующему заполнению: заливке, штриховке и т. д. Аб зацы таких подгрупп целесообразно также снабжать самостоятельными пас портами, главная отличительная задача которых описать способы заполнения контуров.

В самостоятельную подгруппу графической информации со своей формой паспорта удобно вынести абзацы дуг. Описание дуг дается тройкой пар координат, две из которых определяют начало и конец дуги, а третья – координату центра дуги. Направление обвода и другие характеристики ис полнения выносятся в паспорт.

Ко второй группе абзацев относятся тексты, представляющие упорядо ченные наборы символов (цифры, знаки, буквы русского и латинского алфа витов). Содержимое таких абзацев представляет набор строк, первый символ которых имеет привязку к листу документа. Паспорт абзаца отражает способ и форму начертания символов, их ориентацию и порядок размещения.

Символьные тексты архива по спроектированному объекту могут вы водиться как на графические, так и на алфавитно-цифровые печатающие уст ройства, а также на другую печатающую технику. В зависимости от этого вводятся абзацы различной формы, паспорта которых и способы представле ния информации по позиционной привязке текста могут быть различными.

Рассмотренные группы графических и символьных текстов составляют основу любой конструкторской документации. Эта же информация может быть использована и для формирования технологической документации, вы полняемой в форме управляющих программ изготовления плазов или фото шаблонов.

Есть еще абзацы со специальной информацией, основу которой состав ляют координаты размещения сложных типовых элементов.

Под размещением здесь понимается указание линейных координат по ложения базовой точки сложного элемента и его ориентация, т. е. угол пово рота относительно собственных осей. Этим элементам могут соответствовать различные типы диафрагм, с помощью которых наносится рисунок на фото шаблон, типы отверстий, подлежащих рассверливанию, типы микросхем, ус танавливаемых на несущую конструкцию, элементы сборочного чертежа и т.

д.

Паспорт, описывающий общие признаки группы информации, содер жащейся в абзаце, имеет позиции, связанные с принадлежностью этой груп пы к различным типовым элементам (отверстиям, диафрагмам и т. д.). В пас порт удобно, с точки зрения компактности, выносить также более тонкие (де тальные) классификационные признаки, например тип отверстия. Если от верстий одного типа много, то, естественно, вынесение его имени за скобки (в паспорт) выгодно. То же относится и к ориентации элемента. Паспортны ми являются также параметры, определяющие способ начертания, такие как масштабный коэффициент графического исполнения, толщина и цвет линий изготовления чертежа элемента.

Информация абзаца с описанием сложных элементов может использо ваться для нескольких целей. Так, лист документации в машинном архиве с набором информации по отверстиям печатной платы может быть использо ван для трех постпроцессоров:

подготовки управляющих программ для фотокоординатографа или фо тонаборной установки;

подготовки управляющей программы для сверлильного автомата;

изготовления чертежа наружного слоя платы на графопостроителе.

В первом случае имена элементов исходного текста на ЯГТИ интер претируются с использованием баз данных типом диафрагмы для отображе ния отверстия на фотошаблоне;

во втором случае по имени элементов произ водится выбор диаметра сверла автомата сверления;

в третьем случае эле менту описания ставится в соответствие его графическое отображение на чертеже.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПРОИЗВОДСТВА 8. Основные задачи автоматизированного проектирования при техноло гической подготовке производства Конечной и основной задачей любого проектирования является обес печение производства необходимой документацией для проведения всей со вокупности работ, связанных с созданием объекта и его контролем. Произ водство имеет сложную структуру с большим разнообразием средств изго товления и контроля, связанных между собой.

Конструкторская документация после выполнения этапа конструиро вания содержит подробное и точное описание объекта проектирования, дос таточное для его однозначного понимания. Однако конструктор, имея дело с объектом проектирования, не может планировать выполнение работ по его созданию. Этой частью работ занимается специальная технологическая служба, которая готовит технологическую документацию. Технологическая документация по объекту производства должна быть доведена до каждого рабочего места и исполнителя, учитывать все промежуточные фазы произ водства изделия и специфику оборудования. Каждое рабочее место и каждая операция должны быть обеспечены необходимым набором инструмента и специальных приспособлений для выполнения работ. В случае, когда произ водство имеет оборудование с ЧПУ, в состав документации, поставляемой на рабочее место, должны входить управляющие программы для автоматиче ского выполнения операций.

С автоматизацией проектирования при технологической подготовке производства объекта связаны три основные задачи:

проектирование технологических процессов;

проектирование технологической оснастки;

проектирование управляющих технологических программ для обору дования с ЧПУ.

Технологический процесс (ТП) представляет собой ранжированную последовательность операций, необходимую для проведения подготовитель ных работ, всех видов обработки, сборки и контроля изделий. Исходными данными для формирования ТП являются описания объекта производства, оборудования пред приятия, приспособлений и инструмента, а также загото вок (рис. 22).

Оборудование Техноло гический Интсрумент, процесс оборудование Заготовки Рис. 22. Схема формирования технологического процесса Технологический процесс описывается совокупностью документов различного уровня. Нижним уровнем является операционная технологиче ская карта (технологические карты), в которой описаны конкретные опера ции, выполняемые над. деталью, и ее параметры. Более высоким уровнем технологической документации является маршрутный технологический про цесс, связанный с планированием операционного маршрута движения объек та производства внутри участка, цеха, завода.

Оснастка – это в общем случае совокупность инструмента и приспо соблений, дополняющих основное оборудование для выполнения технологи ческого процесса. Оснастка может быть ориентирована на группу или класс изделий или быть индивидуальной, т. е. конкретной для данного изделия.

Одним из условий технологичности изделия является наличие оснастки для выполнения ТП. Если это условие соблюдается, то задача подготовки технологической оснастки сводится к документальному оформлению ее вы бора. Однако не всегда это представляется возможным, и обработка нового изделия требует специальной технологической оснастки. Технологическая оснастка в этом варианте становится объектом проектирования. Ее создание является этапом в общем процессе технологической подготовки производст ва. В ряде случаев проектирование индивидуальной технологической оснаст ки включается в общий цикл конструкторского проектирования основного изделия. При этом проектирование оснастки может оказаться одним из глав ных в смысле трудоемкости.

При известном операционном процессе входными данными для проек тирования индивидуальной оснастки является конструкторская документа ция на основное изделие, которая одновременно служит и для проектирова ния конкретного технологического процесса изготовления основного изделия (рис. 23). Оснастка чрезвычайно разнообразна по своей номенклатуре и спо собам использования. Поэтому ее проектирование является специальной за дачей. Для понимания этой задачи ниже рассмотрены некоторые характер ные примеры из области радиоэлектроники и машиностроения.

Конструкторская Проектирование ТП документация на ТП производства производства изделие изделия изделия Конструкторское ТП проектирование производства Оснастка оснастки оснастки Конструкторская Проектирование Изготовление документация на ТП производства оснастки оснастку оснастки Рис. 23. Схема проектирования технологического процесса производства изделия с инди видуальной оснасткой Управляющая технологическая программа (УТП) представляет собой набор команд-инструкций для автомата или станка, необходимый для выпол нения той или иной производственной операции. Автоматизированное про изводство имеет свои достоинства как при серийном, так и при опытном производстве. Однажды разработанная управляющая технологическая про грамма далее неоднократно автоматически исполняется практически без вме шательства человека, при этом ускоряется процесс переналадки оборудова ния, повышается точность и сокращается время исполнения операций.

Замена ручных операций сверления печатных плат сверлением на автоматах со кращает время обработки в десятки раз.

В современных автоматах контроля монтажа контролирующее устройство имеет возможность одновременно обеспечить контакт со всеми выводами элементов электриче ской схемы, сконструированной по плате. Автомат последовательно опрашивает группы контактов одного потенциала, устанавливая их общность. Аналогичным образом можно установить отсутствие ложных коротких замыканий между группами контактов различно го потенциала. Различие во времени выполнения операций традиционными ручными ме тодами «прозвонки» цепей и автоматическими методами составляет примерно два по рядка.

Надо заметить, что приведенные цифры, характеризующие относительный времен ной выигрыш, сугубо условны. По мере совершенствования техники, естественно, ско рость выполнения операции автоматом будет увеличиваться, тогда как скорость выполне ния ручных операций будет сохраняться в силу физиологических возможностей человека.

Станки и автоматы с ЧПУ потребляют в качестве информации управ ляющие программы и не нуждаются в графической и текстовой бумажной документации. Иначе говоря, бумажные документы как средство общения между проектировщиком и исполнителем заменяются в этом варианте ин формационным взаимодействием на уровне машинных кодов. Таким обра зом, появляется возможность перехода к безбумажной технологии производ ства и интеграции проектирования и производства. Это требует коренного пересмотра традиционно сложившихся форм взаимодействия между проект ными и производственными подразделениями и соответственно форм и ме тодов технологической подготовки производства.

Переход к гибкому автоматизированному производству (ГАП) выявля ет ряд новых проблем и в первую очередь таких, как согласованное управле ние группой оборудования, в состав которого помимо технологического обо рудования входят транспортные устройства и автоматизированные склады.

9. Определение технологического процесса Задача проектирования оригинального ТП связана главным образом с процедурами структурного синтеза, а потому решать ее следует на основе ав томатизированных методов в интерактивном режиме.

В зависимости от сложности объект может проходить различные мар шруты обработки. Простые детали могут обрабатываться полностью на од ном оборудовании без смены инструмента, обработка более сложных может требовать смены инструмента либо оборудования. Для таких изделий мар шрут обработки будет проходить через несколько производственных участ ков или цехов. Если объект представляет сборочную единицу, узел или меха низм, то помимо операций обработки он должен пройти операции сборки.

Соответственно существуют иерархия технологических документов и уровни описания маршрута технологической обработки.

Естественно, что в любом случае описание технологического процесса должно быть доведено до конкретной операции (совокупности операций), выполняемой на рабочем месте на конкретном оборудовании. Подобное де тальное описание является основным содержанием автоматизации проекти рования технологического процесса. Документ, в котором оформлены эти сведения, носит название операционной технологической карты.

Технологическая карта сопровождается чертежом или операционным технологическим эскизом, в котором обрабатываемая деталь описана в гра фической форме с межоперационными (промежуточными) размерами, при обретаемыми деталью в процессе выполнения операций. Процесс обработки одной детали (объекта) может описываться одной или несколькими операци онными картами, каждая из которых выдается на то или иное рабочее место.

В зависимости от уровня описания технологического процесса меняет ся степень детализации производственных операций. Так, для описания меж цехового маршрута достаточно под операцией понимать класс операции: ме ханообрабатывающая, заготовительная, операция термообработки и т. д., в зависимости от наименования цеха, через который проходит маршрут обра ботки. Описание маршрутных техпроцессов может детализироваться до типа операций: токарные, сверлильные, шлифовальные, фрезерные, электроэрози онные и т. д.

В процессе дальнейшего изложения целесообразно в качестве объекта технологической подготовки производства рассматривать деталь. Деталь яв ляется наиболее массовым объектом производства, ее рассмотрение проще и вместе с тем раскрывает все необходимые понятия, связанные с вопросами автоматизации технологической подготовки производства.

Маршрутный технологический процесс обработки детали представляет собой следующую семантическую конструкцию:

<маршрутный технологический процесс> = <описание детали> {<вид операции> <обору дование> <трудоемкость операции>} (9.1) Описание детали дается в конструкторском чертеже и содержит гео метрические характеристики, данные о материале и точности изготовления.

Маршрутный технологический процесс сопровождается при необхо димости нормативными данными по трудоемкости каждой операции.

Описание технологического процесса (9.1) содержит, по сути, общие характеристики детали и спецификацию операции над заданной деталью и может служить исходным материалом для формирования конкретного про цесса выполнения каждой операции, т. е. операционного процесса, описы ваемого на уровне совокупности переходов.

Переход может быть определен как элементарная операция с формаль но заданными реквизитами, достаточными для выполнения операции над конкретной деталью и на конкретном оборудовании. Укрупнено переход мо жет быть представлен в виде семантической конструкции <переход> = <оборудование> <вид операции> <оснастка> <обрабатываемая деталь> {<поверхность обработки (на переходе) > <параметры обрабатываемой поверхности дета ли до обработки> <параметры обработки> <параметры поверхности после обработки>} <комментарии> (9.2) Рассмотрим каждую из позиций семантической конструкции (9.2).

<Оборудование> описывается типом станка, на котором выполняется операция;

<вид операции> – наименование операции, в которой выполняется переход;

<оснастка> включает описание приспособления и инструмента, необходимого для выполнения операции.

Реквизит <обрабатываемая деталь> обычно описывается в соответствии с действующими на предприятии классификаторами и содержит общие сведе ния о детали, ее габаритах, материале и т. д. Описание детали при ручной об работке может сопровождаться операционным эскизом детали, на котором указываются (размечаются) поверхности обработки.

Следующая группа реквизитов в конструкции (9.2) представляет собой упорядоченный список (кортеж) поверхностей, подлежащих обработке на данном переходе, их геометрические параметры (до и после обработки), чис тоту обработки и допуска, а также параметры обработки для каждой поверх ности. Параметры обработки описывают режим движения инструмента. Чис ло параметров обработки зависит от числа степеней свободы станка. Пара метры определяют поступательную скорость движения инструмента (состав ляющие по трем осям) и скорость вращения.

В <комментарии> включается вся необходимая информация для станоч ника-оператора, связанная с установкой детали и режимами обработки.

Рассмотренная семантическая конструкция (9.2) отражает содержа тельную часть перехода. Форма представления этой информации определя ется технологической картой, которая помимо рассмотренных позиций имеет ряд служебных и паспортных характеристик, таких как дата, фамилии испол нителей и их подписи, децимальные (регистрационные) номера чертежей и объектов обработки и т. д.

Переход является, как уже говорилось, элементарной операцией с за полненными позициями, необходимыми для ее исполнения. Состав и содер жание этих позиций определены конструкцией (9.2). Изменение любой пози ции определяет новый переход.

Здесь уместна аналогия между технологической операцией и стандартной про граммной процедурой. Стандартная процедура имеет набор формальных параметров. По сле их простановки стандартная процедура из инварианта превращается в конкретную программу, которая встраивается в общий процесс вычислений.

Может быть определена формально и технологическая операция. Это в общем слу чае тоже некоторая абстракция и только после определения всех необходимых реквизи тов, определяющих параметры объекта и способы его обработки, операция обретает кон кретное содержание и может быть реализована в виде перехода общего технологического процесса обработки детали. Любое изменение в составе перехода, по сути, означает новое значение формальных параметров операции, т. е. новый переход.

Конкретный ТП обработки детали реализуется упорядоченным множе ством переходов и может быть представлен в виде <технологический процесс обработки> = {<переход>}, (9.3) где конструкция перехода представлена (9.2). В упорядоченной цепочке (кортеже) переходов входом каждого перехода является деталь, прошедшая операцию на предыдущем шаге обработки.

Исходными для формирования ТП обработки детали является укруп ненный процесс обработки, представленный в виде упорядоченного маршру та движения детали от одного типа операции к другому (9.1). Каждая опера ция этого маршрута обретает конкретное содержание как минимум в одном переходе (рис. 24). При этом деталь расчленяется на элементы обработки – поверхности обработки или группы поверхностей обработки. Для некоторых операций элементом обработки может быть сама деталь.

Операции обработки Операция......

Оборудование заготовки Входная Выходная N-ая Деталь...

Заготовка 1-ая операция... j-ая операция деталь деталь операция (чистовая) Маршрутный технологический процесс Входная деталь Выходная деталь Входная Выходная...

...

1-ый переход i-ый переход k-ый переход j-ой операции j-ой операции деталь деталь Поверхность Оснастка, Параметры обработки инструмент обработки Структура j-ой операции обработки Рис. 24. Структура двухуровневого технологического процесса Таково содержание ТП обработки детали, описанного на двух основ ных уровнях: маршрутного технологического процесса, представляемого со вокупностью операций, и конкретного ТП выполнения операций, представ ляющего собой последовательность переходов.

10. Синтез технологических процессов 10.1. База данных САПР технологических процессов и описание детали Методы структурного синтеза технологических процессов в той части, в которой возможна их реализация в САПР ТП, опираются на аппарат мате матической логики, основанный на изоморфизме элементов множеств, т. е.

на установлении структурного соответствия элементов одной группы мно жеств элементам другой группы множеств. В данном случае мы устанавлива ем взаимосвязь между элементами исходной семантической конструкции, описывающей деталь, и элементами структуры ТП, рассмотренных выше.

Элементы ТП (операции и переходы) являются, в свою очередь, слож ными конструкциями, иногда с несколькими уровнями вложений, а потому задача формирования ТП не может решаться установлением простого соот ветствия между элементами детали и элементами ТП того или иного уровня.

Основу любого структурного синтеза составляют операции, реализуе мые над элементами базы данных, которая является составной частью САПР.

База данных по своему содержанию всегда конкретна и обслуживает проект ные задачи вполне определенной предметной области.

Раскроем содержание задач синтеза ТП на примере деталей механооб работки. В состав базы данных для такой САПР ТП должны входить базовые элементы, сгруппированные в следующие разделы: <вид операции>, <оборудо вание>, <инструмент>, <исходные заготовки>, <приспособления>, <режим обработки>.

Внутри каждого раздела базы данных осуществляется классификация по ряду признаков. Например, группа базовых элементов раздела <вид опера ции> делится на операции механообработки и измерения, заготовительные операции и т. д. Внутри подгруппы операций механообработки дается более тонкая классификация по способам обработки: сверление, расточка, фрезеро вание, шлифовка и т. д. Внутри классификационной группы «фрезерование» выделяются иерархические уровни по точности обработки.

Так, по разделу базы данных, связанному с операциями, формируется структура в виде графа, вершинам которого соответствуют определенные признаки. Далее эти признаки являются сопровождающими реквизитами конкретной операции, т. е. каждому виду операции присваивается совокуп ность признаков:

<вид операции> = {<признаки операции>} (10.1) Совокупность признаков является аппаратом, используемым при уста новлении связи как внутри базы данных, так и между описанием детали и ба зой данных. Аналогичное структурирование данных должно быть проведено по остальным разделам базы данных САПР ТП. Результатом такого струк турного представления являются конструкции типа (10.1).

Нетрудно видеть, что рассмотренные разделы базы данных семантиче ски взаимно увязаны (обусловлены) и образуют сетевую структуру. Напри мер, <вид операции> определяет реквизиты <оборудование>, <инструмент>, <при способление>. При этом возможен не один, а несколько вариантов связок, в ко торых уже заложены элементы структурного синтеза. Эти связки реализуют ся соответствующим аппаратом организации данных.

Важнейшим в задаче синтеза технологического процесса является оп ределение семантики описания детали, необходимого для входа в САПР ТП.

На этапе конструкторского проектирования деталь может интерпретировать ся как совокупность граней (5.1), (5.2). Для обработки детали конечное со держание технологического процесса определяется семантической конструк цией перехода (8.2). На основе конструкторского описания в (8.2) непосред ственно может быть установлено два реквизита: <обрабатываемая деталь> и со вокупность {<поверхности обработки>} детали.

Суть последующих задач синтеза заключается в установлении всех ос тальных реквизитов каждого перехода (8.2) в терминах библиотеки базовых элементов и всей совокупности технологического процесса (8.3). Для реше ния этой задачи каждая поверхность обработки и детали в целом помимо геометрических параметров должна иметь ряд параметров, определяющих технологию их обработки. Простейшим является случай, при котором детали и поверхности дополняются характеристиками по допускам и точности обра ботки. Эти характеристики обычно приводятся в комментариях к конструк торскому чертежу. На основе подобного описания детали САПР ТП должна синтезировать технологический процесс ее изготовления. Естественно, что последний вариант с позиции проектировщика технологического процесса является наименее трудоемким, однако возможность реализации его доста точно проблематична, поскольку в подобном описании детали отсутствуют признаки, на основе которых можно однозначно установить реквизиты биб лиотеки базовых элементов САПР ТП, необходимые для формирования (8.2) и (8.3).

Исходя из этого в зависимости от уровня алгоритмов синтеза, исполь зуемых в САПР ТП, и степени детализации разделов баз данных выбирается содержание (семантика) описания детали. Вариантом формального описания детали является ее представление в виде ранжированной системы поверхно стей. При этом каждой поверхности дополнительно к конструктивным пара метрам присваиваются признаки типа поверхности, точности обработки и допуска.

Классификационные признаки типа поверхности могут быть сложны ми. Например, тип поверхности – цилиндрический, а цилиндрическая по верхность может быть концентрической, эксцентрической и т. д. Поверхно сти детали нумеруются. Номер является синонимом имени поверхности в данной детали и служит указанием на порядок выполнения операций при об работке поверхностей.

В подобной форме семантическая конструкция входного описания де тали имеет вид:

<деталь> = <имя детали> <признаки детали> <признаки заготовки> {<номер поверхно сти> <признаки поверхности> <параметры поверхности>}. (10.2) В качестве признаков детали здесь должны выступать самые общие ее характеристики:

<признак детали> = <плоская деталь> | <объемная деталь> | <тела вращения> | <габари ты> и подобные этим наиболее общие реквизиты.

Главным содержанием признака заготовки являются способ формооб разования (отрезка от прута, штамповка, прессование, литье и т. п.) и матери ал.

Основная информация о детали сосредоточена в последнем кортеже, включающем упорядоченную последовательность описаний поверхностей.

Здесь внутренние элементы конструкций кортежа являются также упорядо ченными списками, т. е. <признаки поверхности> = {<признак поверхности>}, и аналогично <параметры поверхности> также определяются упорядоченным спи ском геометрических размеров обрабатываемой поверхности и параметрами обработки.

10.2. Принципы синтеза технологических процессов Задача структурного синтеза ТП решается на основе установления со ответствия между отдельными элементами описания детали и различными разделами базы данных САПР ТП. Согласно изложенному выше база данных системы проектирования ТП может быть представлена в виде некоторой со вокупности разделов, ориентированных на определенный класс объектов производства:

<база данных САПР ТП> = <операции> <оборудование> <инструменты> < приспособле ния > <исходные заготовки> <режимы обработки> (10.3) База данных может пополняться при необходимости другими раздела ми.

Простейшим вариантом использования баз данных для задачи синтеза является локальное рассмотрение каждого раздела. В этом варианте связь между всеми информационными элементами исходного описания детали и разделов базы данных проектировщик осуществляет интуитивно, используя базу данных в качестве справочного материала. Последовательно вызывая разделы или части разделов, он устанавливает цепочку технологических опе раций. В этом случае соотношение (связь) локальных решений, принимаемых на каждом шаге, осуществляется неформально.

Для формализации процесса синтеза ТП условия соответствия между отдельными элементами разделов базы данных систематизируются и реали зуются с помощью ссылочных сетей. Последнее означает, что каждый эле мент раздела содержит в каталоге или в своем описании ссылки на элементы других разделов. Так, в базе данных каждой конкретной операции раздела того же наименования может быть поставлено в соответствие некоторое подмножество из разделов <оборудование>, <инструмент>, <приспособле ние> и <режим обработки>.

В результате реализации операций соответствия между реквизитами детали (10.2) и базой данных определяются подмножества каждого раздела базы данных (рабочие массивы), на основе которых осуществляется далее структурный и параметрический синтез ТП (9.3).

Первым шагом структурного синтеза является формирование мар шрутного технологического процесса. Основу маршрута обработки детали составляют упорядоченные совокупности пар реквизитов {<вид операции> <оборудование>} (10.4) Формирование совокупности пар требует установления соответствия (10.4) на образованных подмножествах рабочего массива (РМ), выборки кон кретных экземпляров пар и их последующего ранжирования. Формирование РМ, формирование пар и их ранжирование являются синтетическими проце дурами и могут выполняться как алгоритмическими (формальными) метода ми, так и на основе использования интерактивных режимов. Конкретная пара <операция> <оборудование> выбирается автоматически при вводе дополнитель ных, ранее не использованных реквизитов в описании детали путем тех же операций соответствия. При интерактивных режимах технологу могут выда ваться все варианты решений. Отбор нужного варианта осуществляет чело век. В этом случае им может быть учтено большее количество условий, в том числе и связанных с загрузкой оборудования.

Что касается ранжировки операции в (10.4), то эта процедура может быть принципиально формализована на основе специального логического ал горитма, определяющего разрешенную последовательность выполнения опе раций. Однако, как и всякие подобные процедуры, эти операции имеют узко специализированную ориентацию. Для каждого нового набора необходима своя последовательность. Появление новой операции требует пересмотра ло гики ранжирования. Исходя из этого операцию ранжирования целесообразно выполнять проектировщику процесса на этапе описания детали соответст вующей разметкой (нумерацией) поверхностей.

Результатом формальных методов синтеза технологического процесса может ока заться множество технологических процессов, маршруты которых проходят через различ ное оборудование. Каждый из технологических маршрутов обработки является допусти мым, и дальнейшая задача синтетических процедур заключается в выборе на этом допус тимом множестве технологических процессов наиболее выгодного. Для этих целей необ ходима система количественных оценок. К таким оценкам в первую очередь должны быть отнесены суммарная стоимость процесса и время его исполнения. Последняя оценка тре бует учета загрузки оборудования другими технологическими процессами. Задача здесь переходит из области проектирования технологического процесса в область организации управления технологическими процессами обработки группы заявленных объектов, и ре шение ее требует создания модели производства. Модель анализирует маршрутные про цессы на уровне систем массового обслуживания. На множестве возможных реализаций заявок на обслуживание строится оптимальная в указанном смысле совокупность техно логических процессов.

Результатом первого этапа синтеза ТП является отработанный маршрут движения детали от оборудования к оборудованию (9.1). Вторым этапом син теза ТП является структурный синтез операционного технологического про цесса обработки детали, состоящего из ранжированного набора переходов (9.3). Принципиально в одной операции технологического маршрута, как уже указывалось, может выполняться несколько переходов.

Задача формирования ТП обработки детали представляет собой сово купность задач структурного и параметрического синтеза. Задача структур ного синтеза как по содержанию, так и методу решения близка к рассмотрен ной задаче первого этапа синтеза, рассмотренной выше. Результатом струк турного синтеза ТП обработки детали являются переходы и их ранжировка.

Каждый из переходов при этом имеет определенные реквизиты, т. е. эле менты семантической конструкции (9.2). Внутри образованной структуры возможны постановки задач синтеза параметров, например межоперацион ных параметров детали.

Согласно определению переходом является формально определенная часть технологической операции, выполняющая обработку входной заготов ки с доведением этой заготовки до требуемых характеристик постоянным на бором средств (инструмента, приспособления). Если процесс обработки по верхности является одношаговым, то требуемые характеристики определя ются чертежом детали с соответствующими параметрами обработки по до пускам и чистоте и достигаются исполнением одного перехода. Если процесс не одношаговый, то доведение параметров поверхности исходной заготовки до требуемых, т. е. определяемых чертежом детали, осуществляется группой переходов. При этом переходы могут быть не однотипными. Простейшим примером может служить поверхность тела вращения, требующая высокой точности и чистоты обработки. Над ней должны выполняться токарные опе рации и операции шлифования. В зависимости от материала детали, толщи ны снимаемого слоя, требуемой чистоты поверхности ТП обработки может включать несколько переходов токарной операции и несколько переходов шлифовальной операции. Каждый переход должен заканчиваться выполне нием требований по межоперационным параметрам детали, вернее, межпере ходным параметрам.

При неформальных методах проектирования ТП подобные межопера ционные параметры детали (геометрические размеры, допуски и чистота по верхности), которые должны быть у нее после выполнения каждого перехода, задаются соответствующим рабочим эскизом детали, выполняемым вручную.

При формальных методах эта задача должна решаться алгоритмически. Алго ритм, реализующий синтез параметров операционных переходов, имеет в ка честве входных данных описания детали в конечном ее исполнении и исход ной заготовки.

Рассмотрим задачу синтеза межоперационных параметров (рис. 25).

При заданной структуре ТП синтез параметров осуществляется с помощью модели, определяющей связь между межоперационными параметрами детали и показателями качества ТП, в качестве которых принимаются: чистота, допуск D чистовой детали, а также время Т и стоимость G ее обработки.

Подбором межоперационных параметров может быть достигнуто условие, наиболее благоприятное по одному из показателей (например, минимум вре мени обработки) при соблюдении выполнения требований по чистоте, допус ку и стоимости. Это типичная постановка поисковой задачи параметрическо го синтеза.

Рис. 25. Схема поиска меж- Рис. 26. Схема последовательного операционных параметров расчета межоперационных пара детали метров Рассмотренная схема синтеза не единственная. Возможен переход от общей поисковой задачи синтеза к более простой, при которой она решается последовательно, начиная с первого перехода, где вход (заготовка) определен (рис. 26). Последняя постановка предполагает возможность декомпозиции и независимого решения задачи синтеза параметров для каждого перехода по частным критериям. Начинать при этом следует от первого перехода и далее наращивать процесс до получения требуемых результатов по детали. Подоб ный последовательный вариант формирования ТП является наиболее про стым и естественным, однако исключает возможность вариации межопера ционных параметров обработки с целью достижения наилучших показателей для всего ТП.

Подведем итог сказанному. Задача синтеза ТП обработки детали пред ставляет собой последовательность решений задач структурного и парамет рического синтеза технологических процессов. Формальное описание детали является заданием на формирование ТП. Задачи структурного синтеза реша ются на основе базы данных САПР ТП и исходного описания детали путем установления связей между элементами разделов базы данных и реквизитами описания детали.

Задача установления ссылочных связей является центральнойв вопро сах структурного синтеза. На этой основе строится алгоритм синтеза ТП.

Связи могут устанавливаться ссылками внутрибазы данных, алгоритмом структурного синтеза, разработчикомТП в интерактивном режиме. Ссылки являются перекрестными, т. е. предполагают возможность соответствия меж ду любыми элементами. Чем более детализированы эти связи, тем опреде леннеезадача структурного синтеза. Для рассматриваемого случая характер ными являются связи типа Формирование ТП заключается в построении его избыточной структу ры, ветви которой являются допустимыми решениями. Для диалоговых ре жимов на этой избыточной структуре разработчик выбирает нужную струк туру. При наличии формальных критериев отбора подобная задача может решаться на основе алгоритмических методов.

После завершения структурного синтеза решается задача па раметрического синтеза, одна из которых, связанная с выбором межопераци онных параметров, рассматривалась выше (рис. 25, 26).

Рассмотренная последовательность процедур синтеза ТП может быть представлена в виде схемы (рис. 27), входом которой является описание де тали, а выходом – ТП ее обработки.

Рис. 27. Схема синтеза технологического процесса 10.3. Формирование индивидуального технологического процесса по типо вому Конкретная реализация принципов структурного и параметрического синтеза ТП в САПР ТП может быть самой различной.

Широкое применение получили так называемые методы формирования индивидуальных ТП по типовым. Суть методов заключается в следующем.

Из множества деталей выбирается некоторая группа, имеющая общие при знаки и соответственно способы обработки и единые типы заготовок. Для этой группы деталей определяется обобщенная модель детали, включающая все многообразие элементов обработки рассматриваемой группы. По обоб щенной модели строится типовой ТП, который является избыточным.

Формирование индивидуального ТП осуществляется в САПР ТП в ин терактивном режиме взаимодействия пользователя с системой. Пользователь (в данном случае технолог) классифицирует деталь, т. е. определяет ее при надлежность к той или иной группе деталей, по которой имеются типовые ТП. Затем чертеж соответствующей обобщенной детали с разметкой (номе рами) элементов обработки (рис. 28) отражается на экране дисплея. Техноло гом задаются номера элементов обработки, имеющиеся в проектируемой де тали.

Рис. 28. Пример типовой избыточной детали с разметкой поверхностей (элементов) обработки По этой входной информации на основе выделения из избыточного ТП нужных ветвей формируется структура индивидуального технологического процесса. Ряд позиций этого процесса может требовать доопределения. К ним в первую очередь относятся все метрические параметры, связанные с межоперационными размерами и режимами обработки. Типовая (избыточ ная) деталь содержит все возможные варианты исполнения структуры кон кретной детали. Однако параметры проектируемой детали (геометрические размеры, чистота обработки, допуски) конкретны. Это обстоятельство не по зволяет решать задачу синтеза ТП простым усечением избыточного ТП.

Смысл сказанного достаточно просто можно пояснить на примерах. От геометрических параметров детали зависит инструмент обработки. То же следует сказать о чистоте обработки и о допусках. Материал детали влияет на режимы резания (скорость подачи, скорость вращения и т. д.). С чистотой обработки связаны как выбор инструмента, так и число его проходов по об рабатываемой поверхности. Наконец, что весьма важно, от геометрических параметров детали зависят межоперационные размеры. Из изложенного сле дует, что параметры конкретной детали требуют соответствующей редакции (или заполнения) реквизитов индивидуального ТП.

Таким образом, после первого шага пользователя, связанного с описа нием структуры конкретной детали, формируется прототип индивидуального ТП обработки этой детали. Здесь под прототипом следует понимать ТП, имеющий семантическую конструкцию, соответствующую индивидуальному (синтезируемому) ТП, но с реквизитами, требующими в общем случае редак ции (или заполнения).

Задача диалоговой САПР заключается в определении этих реквизитов и формировании необходимой информации в диалоговом сценарии (типа подсказки) для решения задачи синтеза индивидуального ТП на основе его прототипа. Подсказка может быть прямой (в виде набора допустимых вари антов заполнения реквизитов) или в виде списка процедур, с помощью кото рых осуществляется выбор реквизита или его конкретных параметров. Схема сценария, диалога синтеза индивидуального ТП на базе типового представ лена на рис. 29.

Рис. 29. Схема диалогового синтеза индивидуального технологического процесса по избыточному 11. Проектирование оснастки производства рэа В радиоэлектронике одним из главных объектов конструкторского проектирования являются печатные платы, микросборки и интегральные микросхемы. Несмотря на существенную разницу в плотности размещения активных и пассивных компонентов, в этих трех типах конструктивов имеет ся много общего. Эта общность связана с конструкторско-технологическим проектированием всех видов конструктивов, в том числе с методами проек тирования технологической оснастки.

Проектирование микроскобок и печатных плат по составу решаемых задач проще, чем проектирование интегральных схем. Главная причина свя зана с необходимостью в последнем случае конструировать не только связи между компонентами схемы, но и сами компоненты. Переход на матричные БИС существенно сближает эти проектные задачи, поскольку в этом случае базовая матрица, на которой размещается будущая БИС, уже представляет собой набор стандартных элементов, из которых собирается (компонуется) необходимая схема. Компоновка конкретной схемы на этом множестве, по сути, эквивалентна размещению корпусных или бескорпусных элементов на подложке. Поэтому рассмотрим в качестве примера лишь печатную плату.

Печатная плата представляет собой ряд слоев (подложек), вы полненных из диэлектрика, на которые методом фотолитографии наносятся печатные трассы, объединяющие отдельные точки каждого слоя. Межслой ные связи и связи с контактами навесных элементов обеспечиваются метал лизированными межслойными переходами. Последние выполняются в виде металлизированных отверстий. Широкое применение находят двуслойные платы, в которых на одной диэлектрической подложке с обеих сторон нано сятся коммутирующие печатные трассы. При многослойном исполнении пла ты обычно поступают следующим образом. На наружном слое (или двух на ружных слоях) предварительно размещают элементы. Под все контакты, подлежащие соединению, пробивают сквозные отверстия, которые далее ме таллизируются, т. е. делаются проводящими. Затем решается основная топо логическая задача: прокладка в каждом слое непересекающихся трасс, обес печивающих связи в соответствии с исходной принципиальной схемой. Объ единение групп связей одного потенциала, выполненных в различных слоях, осуществляется с помощью указанных выше сквозных металлизированных отверстий.

Решение задачи размещения и многослойной трассировки является ос новной задачей конструкторского проектирования печатной платы. В резуль тате этого этапа рождаются конструкторские документы;

компоновочный чертеж размещения электрорадиоэлементов, таблица размещения соедини тельных трасс по слоям платы, таблица координат отверстий, необходимых для рассверливания и последующей металлизации. В САПР вся информация по этапу конструкторского проектирования предварительно засылается в ар хив, где хранится в стандартной форме на языке графической и текстовой до кументации (ЯГТИ). Эта информация служит одновременно и для формиро вания технологической документации, и для изготовления производственной оснастки.

При развитом автоматизированном производстве осуществляется пере ход на уже упомянутую безбумажную технологию. Компоновочный чертеж заменяется управляющей программой для автомата сборки ячейки, таблица сверления – программой для автомата сверления и, наконец, таблица послой ных трасс – управляющей программой для автомата изготовления послойных фотошаблонов (рис. 30). Эти фотошаблоны и являются индивидуальной ос насткой для данной платы.

На схеме (рис. 31), отображающей рассмотренные процессы безбумаж ного обмена в сквозном цикле конструкторско-технологического проектиро вания, конструкторская документация в традиционной ее форме отсутствует.

Ее представляет информация машинного архива, выполненная в форматах ЯГТИ.

Рис. 30. Фотошаблон Управляющие технологические программы для сборки и сверления яв ляются технологической документацией по основному изделию (плате). Кон структорской документацией для оснастки (фотошаблона) является упомяну тая послойная информация архива. На ее основе создается технологическая документация на изготовление оснастки (фотошаблона) с помощью специ ального постпроцессора, переводящего графическую информацию с языка ЯГТИ в кодовую форму представления для координатографа, исполняющего фотошаблон.

Рис. 31. Схема безбумажного обмена документацией при сквозном конструк-торско технологическом проектировании печатных плат 12. Автоматизация проектирования штампа Другим характерным примером проектирования индивидуальной ос настки из области механических изделий являются штампы. Штампы – сложные технологические приспособления, которые служат оснасткой для процессов различного типа.

Формирование деталей на основе штамповочных операций является по современным представлениям одним из наиболее совершенных способов формообразования и обеспечивает высокую производительность ТП. Однако штамп обычно существенно сложнее детали, для изготовления которой он разрабатывается. Поэтому использование штампов возможно при условии, во-первых, достаточно большой серии выпускаемых деталей и, во-вторых, при хорошо отработанных процессах проектирования штампов и авто матизированном изготовлении его элементов. Последнее может быть реали зовано средствами автоматизации.

Как объект автоматизированного проектирования штамп по ряду ас пектов представляет несомненный интерес, поэтому рассмотрим его в каче стве методического примера. Штампы по современной классификации имеют чрезвычайно широкую номенклатуру. По характеру выполняемых операций можно выделить следующие основные группы штампов: разделительные, ги бочные, вытяжные, холодного прессования (выдавливания). Имеется ряд штампов, выполняющих специальные операции. Каждая из групп имеет свою классификацию. По принципу действия штампы могут выполнять одну опе рацию или быть многооперационными. Многооперационные, в свою очередь, делятся на штампы последовательного выполнения операций и штампы со вмещенного действия.

Штампы разрабатываются под изготавливаемую деталь, т. е.основные рабочие элементы штампа по своему профилю должнысоответствовать чер тежу детали. Штамп вместе с тем являетсяоснасткой пресса, а потому его внешняя конфигурация и размерыдолжны соответствовать станине и пара метрам подвижной части (ползуну) пресса. Точность изготовления детали предъявляет требования к точностям изготовления деталей штампа и сбороч ным операциям. Это требование должно найти отражение в конструкторской документации и технологическом процессе. Материал детали и ее толщина определяют выбор усилий пресса и соответственно силовых конструкций штампа.

Форма заготовки, из которой изготавливается деталь, также определяет ряд конструктивных элементов штампа. К ним в первую очередь относятся специальные фиксаторы, обеспечивающие строго определенное положение заготовки в процессе выполнения операции. Формы детали и исходной заго товки определяют конструкцию съемных приспособлений штампа, необхо димых для удаления отработанных детали и заготовки. Таковы некоторые основные взаимосвязи, определяющие алгоритм проектирования деталей штампа.

Более подробно конструкция штампа и способ его проектирования с использованием САПР могут быть рассмотрены на примере разделительного штампа. Разделительный штамп принадлежит к широкому классу прессовой оснастки, выполняющей операции вырубки детали по заданному контуру из различного материала, вырубку в детали необходимых полостей и отверстий.

Подобные операции объединены общим названием разделительные опера ции, поскольку при этом от исходной заготовки (полосы) отделяются эле менты требуемой конфигурации, которые далее могут служить заготовкой для последующих операций вырубки полостей. Обычно если полостей в де тали немного (одна, две), операция вырезки по контуру и вырубка полостей осуществляются одновременно, т. е. имеет место штамп совмещенного дей ствия.

На детали, изображенной на рис. 32, заготовкой служит лента, фикси руемая на рабочей плите с помощью фиксаторов. Вырезка детали из ленты осуществляется с помощью пуансона и матрицы (рис. 33), которые представ ляют собой основные рабочие элементы штампа. В центре детали необходи мо вырезать окно. В штампе совмещенного действия вырезка окна и вырезка по контуру выполняются одновременно. Осуществляется это с помощью со вмещенной пуансон-матрицы (рис. 34), представляющей собой основной пу ансон, в котором размещается матрица для пробивки отверстия. В теле ос новной матрицы имеется отверстие, в которое пропускается второй пуансон – пуансон-матрица.

Рис. 32. Деталь Д с выру- Рис. 33. Внешние кон баемой полостью П, заготовка туры режущих кромок полосы материала З и ее фик- пуансона П и матрицы саторы Ф на рабочей плате М;

КД – кромка обра батываемой детали Рис. 34. Рабочие элементы па- Рис. 35. Блок штампа:

П – пакет с рабочими элементами;

КП кета разделительного штампа – крепление пакета в верхней и ниж совмещенного действия:

ней плите блока (ВП, НП);

РК – раз ПМ – пуансон-матрица;

П – пуансон;

движные колонки блока;

Пэ – ползун М – матрица;

Д и ОЗ – деталь и остат пресса, соединенный с хвостовиком ки заготовки;

Пл – плита (рабочая);

блока Х;

СП – станина пресса ВД – выталкиватели детали;

– на правление движения;

утолщенной линией выделены режущие кромки Таков состав основной режущей части разделительного штампа. По мимо этого непосредственно с подвижными элементами режущей части взаимодействуют прижимные плиты, выталкиватели, обеспечивающие фик сацию материала в зоне его деформации, выброс детали и отходов заготовки (рис. 34). Взаимодействующие элементы штампа крепятся в специальных держателях. Соосность подвижных частей и их взаимное перемещение обес печиваются направляющими штифтами. Все эти рассмотренные элементы, собранные в определенную конструкцию, образуют сменную часть штампа, которая называется пакетом.

Пакет устанавливается в блоке штампа (рис. 35). Блок состоит из двух частей: верхней и нижней. Верхняя и нижняя плиты связаны между собой раздвижными колонками. На верхней и нижней плитах крепятся резьбовыми соединениями соответствующие части пакета. Верхняя плита с помощью хвостовика жестко связана с ползуном пресса. Нижняя плита блока устанав ливается в зажимах на станине пресса.

Задача проектирования штампа обычно связывается с выбором его прототипа, на основе которого осуществляется конструкторский синтез и выпуск комплекта документации на изготовление и сборку. В комплект до кументации входят сборочный чертеж штампа, чертежи деталей и специфи кация на комплектующие изделия. Штамп средней сложности имеет порядка полусотни деталей, на каждую из которых, если она не покупная, надлежит выпустить конструкторский чертеж. Основу оригинальной части штампа со ставляют пуансоны и матрицы, а также фиксаторы заготовки и съемники.

Примерная схема проектных работ в САПР штампов может быть пред ставлена в следующем виде. На основе конструкторского чертежа детали и ее параметров выбирается заготовка, рассчитываются усилия вырубки и выби рается тип пресса, на котором выполняется операция. По параметрам пресса и детали выбирается тип штампа из имеющегося в наборе. На этом заверша ется первый этап проектных работ, связанный с выбором прототипа будуще го штампа. Прототип определяет структуру штампа, которая документально отображается сборочным чертежом, набором комплектующих деталей и их чертежей.

Вторая часть проектных работ в САПР штампов связана с конструк торским синтезом оригинальной части штампа, выбором размеров синтези руемых элементов и соответствующим оформлением чертежей. При наличии автоматизированного производства в системе формируются управляющие программы для обработки деталей штампа. Для рассмотренного выше вари анта вырубного штампа совмещенного действия (рис. 34) оригинальными элементами являются матрица, пуансон-матрица и пуансон.

Конфигурации (структура) этих элементов определяются исходным чертежом вырубаемой детали (рис. 32). Конкретные параметры плюсовых или минусовых отклонений контуров режущих кромок рабочих элементов определяются требуемой точностью обработки, материалом и толщиной де тали, твердостью режущей части пуансона и матрицы.

Все эти соотношения между входными данными и параметрами рабо чих элементов определяются нормативными документами. В САПР штампов расчеты параметров рабочих элементов оформляются в виде программных процедур, реализующих табличные либо алгоритмические зависимости меж ду входными данными и параметрами. Алгоритмы определяются прочност ными зависимостями либо получаются путем аппроксимации соответствую щих табличных зависимостей. Подобные процедуры в САПР обычно обслу живают группы штампов одного назначения. В простейшем варианте каждый штамп из множества представленных в библиотеке САПР прототипов об служивается своей самостоятельной группой расчетных процедур.

Кроме параметров режущих кромок у рабочих элементов (пуансона, матрицы) должны выбираться габаритные размеры, места размещения кре пежных элементов и их параметры. Некоторые параметры определяются ис ходя из прочностных требований (например, толщина матрицы), другие за даются прототипом. К последним относятся, например, установочные габа ритные размеры.

Практически все элементы пакета штампа (рис. 34) подлежат в той или иной степени подобному конструкторскому синтезу. Полученные расчетным путем размерные параметры элементов штампа должны быть оформлены в виде соответствующих чертежей. САПР формирует только чертежи ориги нальных деталей пакета, а остальная часть чертежей прототипа хранится в библиотеке САПР либо в виде описания «слепышей», либо соответствующих стандартных процедур. Описание геометрии в форме «слепышей» является простейшим вариантом. Документация при этом выдается в форме чертежей с символьными обозначениями и таблиц, конкретизирующих эти символьные размеры (рис. 36). При наличии стандартных процедур чертежи по деталям прототипа выдаются в обычной форме, так же как чертежи оригинальных де талей штампа.

ДО Н Д Д1 Д2 Н3 Н1 Н 3,65-0,008 36 5-0,16 8 12 10 4+0, 5+0, +0, Рис. 36. Чертеж (а) и таблица символьных размеров (б) Аналогичным образом проектируются далее параметры деталей блока штампа. В отличие от оригинальной части пакета штампа, где главной зада чей был синтез контуров рабочих частей штампа (пуансона и матрицы), при проектировании деталей блока главная задача связана с выбором параметров крепежа пакета с плитами блока.

Верхняя плита блока штампа подвижна, она связывается с нижней пли той направляющими колонками. Число и способ размещения колонок опре делены прототипом. Параметры этих колонок могут также являться предме том конструкторского синтеза. В задачах выбора параметров крепежа и под вижных соединений (колонок) определяются координаты размещения эле ментов, их размеры и точности посадок. Входными данными для решения этих задач являются габаритные и точностные параметры штампуемой дета ли, матрицы и пуансона-держателя.

Реализация в САПР рассмотренных выше методов синтеза штампов по прототипу возможна на основе использования интерактивных диалоговых режимов. Один из вариантов построения схемы диалогового проектирования (рис. 37) включает в себя следующую последовательность работ по проекти рованию штампа:

Рис. 37. Структура сценария диалогового автоматизированного конструирования штампа 1. Выбор пресса и прототипа штампа.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.