Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алгоритмы проектирования технологических операций

1. Исходные данные для проектирования технологических операций

2. Формирование оптимальной операции

3. Общий алгоритм проектирования операционной технологии

1 . Исходные данные для проектирования технологических операций

Проектирование операций является многовариантной задачей. Для построения операции необходимо знать маршрут обработки заготовки, схему ее установки, какие поверхности и с какой точностью обработаны на предшествующих операциях. Спроектированный с помощью ЭВМ маршрут включает содержание операций, модель оборудования, наименование приспособления и инструмента.

На построение операций оказывает влияние ряд факторов:

Конструкция изделия (размер, масса, конфигурация);

Технические требования на его изготовление (допуски на размеры и взаимное расположение элементов);

Вид заготовки;

Программа выпуска;

Модель оборудования;

Конструкция приспособления.

Технологические операции дают сложную структуру, элементами которой являются технологические переходы. Эти компоненты технологического процесса (ТП) связаны между собой различными отношениями, основными среди которых являются временные, пространственные, логические и математические.

При оптимизации переходов определяют их количество и последовательность выполнения, режимы, припуски на промежуточные размеры, нормы времени, промежуточные (технологические) допуски, число наладок, настроечные и технологические размеры.

В задачу формирования оптимальной операции входит упорядочение и разбивка общей совокупности переходов (множества) на подмножества с учетом наличия термической обработки, минимизации количества установок заготовки и холостых перемещений инструмента. На стадии формирования операций проводят расчет норм времени, уточнение выбора оборудования, приспособлений и инструмента.

Информационная база процесса проектирования включает справочно-нормативные данные и технико-экономические показатели .

Множество возможных вариантов образует область допустимых решений, в которой необходимо найти наилучшее из всех конкретных условий. Так как рассматриваемой задаче предшествует выбор варианта и типа оборудования, то в допустимых решениях есть все возможные сочетания параметров в их различной последовательности с учетом точности изделия, характеристики оборудования и инструмента.

Построение модели ТП рассмотрим на примере изготовления элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Известно, что ТП изготовления элементов РЭА во многих случаях основаны на механической, термической, механотермической и химической обработке.

Например, при рассмотрении иерархических систем автоматизированного управления операциями термической обработки (металлизация, пайка, отжиг) особое внимание уделяется формообразованию первичных эле ментов конструкций РЭА. Эти первичные элементы могут быть получены различными операциями обработки поверхности, а именно:

Литьём в металлические формы;

Холодной и горячей штамповкой;

Высадкой, литьём и прессование полимерных материалов;

Прессованием и спеканием порошкообразных материалов;

Точением, сверлением, фрезерованием, шлифованием и другими способами обработки.

При этом указывается, что какой-либо первичный элемент конструкции РЭА возможно получить не одним, а несколькими способами (например, литьём, давлением, механической обработкой). Предпочтение отдаётся способу, который в условиях конкретного производства обеспечивает более высокую производительность и экономичность, требуемую технологическую точность и создаёт условия для механизации и автоматизации ТП.

Характерным для технологии формообразования является и то, что изготовление первичных элементов конструкций РЭА может осуществляться с использованием того или иного структурного варианта технологии, различного по своим технико-экономическим параметрам оборудования.

Пусть, количество переходов равно р, а число позиций на станке равно. Для выполнения -гo перехода

на любой позиции требуется время ti, а для выполнения перехода j-й позиции требуется время, где

Кроме того, прежде чем будет выполнен -й переход, должны быть выполнены переходы (множество, составленное из индексов тех переходов, которые должны быть выполнены раньше - гo перехода).

то равенство

говорит о том, что хотя бы на одной позиции будет выполнен -й переход.

Число переходов, выполняемых на -й позиции, не превышает, если

Распределение всех переходов по позициям станка с совмещением нескольких переходов на одной позиции производят также с учетом технологических правил и опыта эксплуатации такого оборудования. Таким образом, существует несколько групп ограничений. Первая из них связана с требованиями определенной очередности выполнения переходов

Другая группа ограничений оказывает влияние на возможность совмещения нескольких переходов на одной операции

; (здесь - целое число). (5)

Может быть предусмотрена группа ограничений по суммарному времени обработки на каждой позиции с учетом рабочих и холостых ходов инструмента

где R - регламентированное время обработки на каждой позиции. Все ограничения могут быть записаны в общем виде:

где - множество индексов позиций, на которых может выполняться -й переход.

Оптимальное количество переходов на каждую поверхность и оптимальную последовательность их выполнения определяют на предшествующих уровнях построения операции. При формировании оптимальной операции необходимо объединить выполнение переходов того или иного количества поверхностей на одном станке. Для этого надо общую совокупность переходов упорядочить и разбить на множества с учетом ограничений, которые аналогичны ограничениям при распределении переходов по позициям многопозиционного станка.

2. Фо рмирование оптимальной операции

Для формирования оптимальной операции используют метод последовательного анализа вариантов. По схеме последовательного анализа в результате сравнения устанавливают доминирование одних вариантов над другими. После этого формируют правило отсеивания вариантов. Зная технологические возможности оборудования, оптимальное количество и последовательность переходов, а также место термической обработки в технологическом процессе, приступают к формированию оптимальных операций обработки на станках с учетом ограничений.

Задача формирования оптимальных операций носит многовариантный характер, и область решений можно ограничить двумя предельными случаями: каждый переход соответствует однопереходной операции; все переходы выполняются в одной операции.

Перед началом решения задачи общую совокупность переходов распределяют на подмножества при выполнении ограничений (табл. 1). Каждый столбец соответствует маршруту обработки поверхности изделия. В случае отсутствия того или иного перехода ячейки массива не заполняют (ставят 0).

Двойными линиями в таблице показано возможное разделение общей совокупности переходов на подмножества. Общую совокупность переходов, входящих в множество и расположенных в некоторой фиксированной последовательности, обозначают числами, которые соответствуют (кроме) промежуточным номерам переходов; - номер последнего перехода, равный общему количеству переходов в множестве. Необходимо распределить имеющиеся переходы по операциям так, чтобы значение целевой функции (например, себестоимости выполнения операции С_{o}n) конкретного варианта было минимальным.

Таблица 1. № Обрабатываемой поверхности изделия

№ Обрабатываемой поверхности изделия

Образование вариантов операций начинают с объединения в операцию максимального количества переходов. Такой подход позволяет резко сократить число анализируемых вариантов.

Для сужения области поиска оптимального варианта сочетаний используют критерий отбора, который позволяет исключить из рассмотрения часть вариантов.

На первом этапе отбора выявляют технологические возможные варианты с учетом ограничений, накладываемых на последовательность обработки, минимального количества переустановок и технологических возможностей оборудования.

На следующем этапе проектирования, когда вариант сформирован для конкретной модели станка, он проверяется на условие выполнения ограничений по точности обработки и шероховатости поверхности.

Если вариант выполнен, вычисляется соответствующая ему величина целевой функции. Расчет продолжается до тех пор, пока все переходы не будут распределены по операциям и не будет найдено значение целевой функции. Когда получат результаты расчетов по двум шагам (итерациям), их необходимо сравнить и выбрать лучший. Если последний вариант хуже предпоследнего, то на основании правила доминирования расчет прекращают.

В случае улучшения варианта расчет продолжают до получения оптимального. Тогда на месте худшего формируют новый вариант. Правило доминирования заключается в том, что дальнейшее уменьшение количества переходов в операции приводит к увеличению количества операций и росту затрат времени и технологической себестоимости обработки. Варианты формирования операций обработки по изложенной методике оценивают по приведенным затратам. Таким образом, если известен технологический маршрут обработки детали, то возможна его корректировка по составу и содержанию отдельных операций, а также по виду используемого оборудования.

3. Общий алгоритм проектирования операционной технологии

Первая часть алгоритмов проектирования операционной технологии определяет режимы обработки и выбор технологического оснащения. Любая операционная технология, в том числе и изготовления элементов РЭА, строится по следующему алгоритму.

Рис. 1. Общий алгоритм проектирования операционной технологии

Вторая часть алгоритмов связана с выбором элементов системы обработки поверхности изделия (модели оборудования, приспособления, основного, вспомогательного и измерительного инструментов) и пространственной компоновкой инструментальной наладки оборудования.

Алгоритмы третьей части осуществляют синтез временной структуры операции, т. е. уточняют состав переходов, определяют порядок их выполнения и характер совмещения во времени.

В четвертую часть входят алгоритмы определения параметров и технико-экономических характеристик операции.

Для простых операций ряд алгоритмов может отсутствовать. Например, в однопереходной операции алгоритм определения последовательности выполнения переходов опускается, а в некоторых операциях не нужны алгоритмы формирования инструментальных наладок и распределения переходов по позициям. Эти особенности учитываются при установлении структурного состава алгоритмов проектирования конкретных операций. Управляющим алгоритмом из общей схемы исключаются или добавляются те или иные алгоритмы в зависимости от назначения и целей, достигаемых в каждом конкретном случае.

Результатом автоматизированного проектирования является индивидуальный ТП, оформленный в виде маршрутной карты, в которой содержатся сведения о порядке выполнения операций и переходов, об оборудовании и оснастке, о режимах отдельных технологических операций и ряд других сведений, используемых для организации изготовления РЭА.

Итак, мы рассмотрели три уровня для автоматизированных систем проектирования ТП:

· проектирование принципиальной схемы;

· проектирование технологического маршрута;

· проектирование операционной технологии .

Процесс проектирования идет от уровня к уровню и на каждом уровне является итерационным с накоплением опыта, обобщением и корректировкой на каждом уровне (рис. 2).

Эти результаты можно использовать для разработки типовых, групповых алгоритмов и технологических процессов-аналогов.

Операцией "обобщение" накопленного опыта из числа ранее спроектированных ТП формируются типовые проектные решения, типовые и групповые алгоритмы. Улучшается значение эвристических критериев самоотбора, совершенствуются структура и параметры алгоритмов синтеза, анализа и оптимизации. Обобщение накопленного опыта проводится в режиме человеко-машинного проектирования с оперативным отображением процессов-аналогов на экраны дисплеев.

В результате обучения и самообучения алгоритмы синтеза проектных решений и эвристические критерии промежуточного самоотбора становятся более эффективными. Вместо генерирования большого числа возможных вариантов - целенаправленно, с учетом положительного прошлого опыта синтезируется меньшее количество наиболее перспективных проектных решений (вариантов). За счет улучшения значений эвристических критериев в процессе самообучения на каждой промежуточной стадии отбирается для дальнейшего проектирования меньшее, чем прежде, число наиболее рациональных вариантов.

Следовательно, контур самообучения, работающий на основе использования опыта проектирования, позволяет повысить качество проектных решений и резко сократить затраты машинного времени.

В результате целенаправленного синтеза и промежуточного отбора на каждом уровне генерируются не все возможные варианты, а только наиболее перспективные. Они могут иметь недостатки, которые выявляются с помощью операций анализа и оценки, а затем устраняются алгоритмами оптимизации. Аналогичное положение наблюдается при автоматизации проектирования ТП-аналогов.

В результате приходим к необходимости организации итерационной модели процесса проектирования, основной чертой которой является последовательное улучшение исходного варианта до требуемой степени совершенства. На основании анализа конструкторско-технологической документации в процессе разработки алгоритмов проектирования создают фонд информации для автоматизированного проектирования ТП изготовления элементов РЭС.

проектирование технологический операция

Рис. 2. Модель автоматизированной системы проектирования с накопителем и обобщением опыта проектирования на каждом уровне.

На основании анализа конструкторско-технологической документации в процессе разработки алгоритмов проектирования создают фонд информации для автоматизированного проектирования ТП изготовления элементов РЭС; этот фонд дополняют в процессе функционирования САПР.

Контрольные вопросы

1. Что включает в себя операционная технология ?

2. Что необходимо знать для построения операции?

3. Что включает в себя спроектированный с помощью ЭВМ маршрут?

4. Какие факторы оказывают влияние на построение операций?

5. Что входит в задачу формирования оптимальной операции?

6. Какие исходные данные используются при проектировании с помощью ЭВМ ТП?

7. Что является технологическими ограничениями , определяющими допустимые варианты ТП изготовления на предприятии?

8. Чем определяется структура технологической операции?

9. Как определяется число переходов в операции?

Назовите технологические ограничения , определяющие допустимые варианты ТП изготовления на предприятии.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Основные понятия оптимального проектирования. Этапы решения задачи проектирования радиоэлектронного устройства с оптимальными характеристиками с использованием методов параметрической оптимизации. Многокритериальная оптимизация в задачах с ограничениями.

реферат , добавлен 04.03.2009

Методы и этапы конструирования радиоэлектронной аппаратуры. Роль языка программирования в автоматизированных системах машинного проектирования. Краткая характеристика вычислительных машин, используемых при решении задач автоматизации проектирования РЭА.

реферат , добавлен 25.09.2010

Характеристика этапов проектирования электронных систем. Применение высокоуровневых графических и текстовых редакторов в процессе проектирования. Параметры конфигурации для аппаратных средств. Последовательность проектных процедур архитектурного этапа.

контрольная работа , добавлен 11.11.2010

Процесс автоматизированного проектирования в системе P-CAD для проектирования печатной платы усилителя мощности. Упаковка схемы на плату. Процедура автоматической трассировки печатной платы. Текстовое описание схемы электрической принципиальной.

курсовая работа , добавлен 18.01.2014

Анализ современного состояния проектирования приемо-передающих радиоустройств. Описание систем поддержки принятия решений, перспективы применения подобных систем в области проектирования. Расчет полосы пропускания высокочастотного тракта приемника.

дипломная работа , добавлен 30.12.2015

Алгоритмы конструкторского проектирования систем управления радиоэлектронной аппаратурой: основные задачи, критерии компоновки. Алгоритмы компоновки, использующие методы целочисленного программирования. Итерационные алгоритмы улучшения компоновки.

контрольная работа , добавлен 23.11.2013

Знакомство с особенностями работы в среде системы автоматизированного проектирования "Max+Plus II". Анализ этапов разработки специализированных цифровых устройств. Характеристика схемы после изменения адресов. Рассмотрение способов настройки сумматоров.

контрольная работа , добавлен 03.01.2014

Изучение методов проектирования, расчета и моделирования усилителей с использованием САРП. Расчёт коэффициента усиления напряжения разомкнутого усилителя. Выходной, входной каскад и расчет емкостных элементов. Коэффициент усиления и цепь обратной связи.

курсовая работа , добавлен 05.03.2011

Изучение основных принципов построения баз данных - именованной совокупности данных, отражающей состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области. Система управления базами данных. Концепции их построения и этапы проектирования.

контрольная работа , добавлен 14.12.2010

Типовая схема процесса автоматизированного проектирования РЭС. Классификация проектных задач решаемых в процессе проектирования РЭС. Структура САПР, математическое обеспечение, лингвистическое обеспечение. Языки диалогов их разновидности и типы.

Вопросы автоматизации синтеза технологических процессов долгие годы остаются в центре внимания исследователей и разработчиков компонентов САПРТП. Это вполне оправдано, так как именно синтез структуры является наиболее трудно формализуемым процессом при создании систем проектирования.

Надо отметить, что в части разработки методологии автоматизации синтеза маршрутных технологий имеются значительные результаты, позволяющие создавать вполне работоспособные компоненты САПР ТП. В настоящее время для синтеза маршрутов используются, в основном, общие технологии, построенные на основе элементарных маршрутов , продукционных списков или семантических сетей . Применение искусственных нейронных сетей позволяет создать общий процесс на принципах самообучения САПР ТП, что упрощает и удешевляет стадию адаптации системы к конкретным производственным условиям.

В разработке методики автоматизации синтеза операционных технологий успехи не так очевидны. В процессе синтеза операционной технологии участвует слишком много параметров, в том числе точностные и размерные параметры - размеры детали и заготовки, технологические и настроечные размеры, отклонения формы и расположения поверхностей, припуски и т.д.

Число возможных вариантов схем простановки размеров, как на чертежах детали и заготовки, так и на операционных эскизах так велико, что весьма сложно учесть на всех этапах обучения системы.

Это значительно усложняет работу специалиста, адаптирующего систему применительно к традициям и возможностям производственной среды конкретного предприятия. Так что приёмы, применяемые при синтезе маршрутов и оперирующие ограниченным числом параметров, здесь не очень эффективны, а в ряде случаев просто не применимы.

Критерием качества связанных размерных цепей синтезированной операционной технологии, как известно, является размерный анализ. Методы размерного анализа сейчас разработаны в достаточной для практического применения степени, хотя некоторые аспекты и требуют уточнения или развития.

Как следует из опыта размерного анализа технологии, достаточно сложно, практически невозможно, с первой попытки создать структуру процесса, отвечающую всем требованиям конструкторского документа и обеспечивающую положительные результаты размерного анализа.

В процессе синтеза операционной технологии необходимо уметь не только создавать единственный вариант структуры операции, но и модифицировать структуру по результатам размерного анализа. Механизм модификации (ресинтеза) структуры к настоящему времени практически не разработан.

Ещё одна проблема структурного синтеза технологической операции возникает при подготовке исходной информации. Очевидно, что большинство данных, связанных с геометрией детали и её параметрами, целесообразно получать из конструкторской системы проектирования. Это исключает субъективные ошибки, характерные для ввода больших объёмов данных, и не требует включать в технологическую САПР лингвистическое обеспечение для описания детали и средства его интерпретации, что обычно усложняет и удорожает программное обеспечение. Но большинство графических редакторов при создании двумерного чертежа оперирует примитивами типа отрезок, окружность, дуга и т.п., которые практически невозможно соотнести со структурными элементами операции и маршрута. Даже при наличии трёхмерной модели возникают значительные сложности.

Практически все графические системы представляют модель детали, модель заготовки и операционные эскизы в виде отдельных, не связанных между собой, графических объектов (чертежей, фрагментов или трёхмерных моделей). В связи с этим возникают непреодолимые трудности автоматического выявления размерных связей, на основе которых выполняет-

ся и синтез структуры технологического процесса, и его размерный анализ.

Таким образом, для создания методологии синтеза операционной технологии механической обработки деталей необходимо, как минимум, решить следующие задачи:

разработать модель объекта проектирования, отвечающую требованиям синтеза технологии и размерного анализа;
разработать процедуры синтеза структуры технологического процесса с использованием результатов размерного анализа;
уточнить и дополнить методику размерного анализа технологического процесса.

Редактор технологических процессов РТП2000 допускает выполнять создание операционной технологии обычными средствами на основе опыта технолога или на основе применения технологий - аналогов. Однако это не самый эффективный способ, так как качество принимаемых проектных решений здесь в значительной степени определяется квалификацией исполнителя проекта.

Наилучшие результаты даёт методика использования общих операций, которая позволяет синтезировать операционные технологии в автоматическом режиме на основе предварительно разработанного информационного обеспечения, позволяющего получать близкие к оптимальным проектные решения.

Информационной основой автоматического синтеза технологий являются:

библиотека элементов формы;
библиотека типовых технологических операций.

Например, геометрия детали, созданная с использованием библиотеки элементов формы, позволяет обеспечить однозначное соответствие геометрии детали и технологических переходов, обеспечить автоматическое формирование операционных эскизов и размерный анализ. Система допускает преобразование чертежа детали, выполненного средствами обычного графического редактора, например Компас, во внутреннее представление на основе библиотеки элементов формы.

Библиотека типовых технологических операций (ТТО) разрабатывается применительно к условиям конкретного предприятия с учётом традиций проектирования операций. Операции ТТО могут использоваться в составе общих технологических процессов или индивидуально.

Операция библиотеки содержит упорядоченный набор переходов, каждый из которых связывается с одним или комплексом элементов формы детали.

В процессе применения ТТО - система проверяет наличие в составе детали соответствующего элемента формы. При его отсутствии переход не включается в единичную технологию. В противном случае порождается один или некоторое число переходов (по числу элементов формы).

Так из общего технологического процесса автоматически формируется состав переходов каждой операции. На следующем этапе выполняется процесс синтеза технологии на основе эволюционного подхода, который предполагает последовательное применение стадий маршрута с анализом размерных связей на предмет оценки возможности достижения заданных точностных и прочих параметров детали на каждой стадии. Эволюционный процесс завершается при достижении требуемых параметров детали.

На этом этапе основополагающую роль играет механизм размерного анализа. В связи с тем, что многообразие возможных геометрических форм детали не позволяет заранее предусмотреть все схемы простановки технологических размеров, размерные схемы генерируются с использованием генетического алгоритма. Он позволяет достаточно быстро найти приемлемые схемы операционных размеров для каждой операции, удовлетворяющие требованиям размерного анализа.

На заключительной стадии автоматически формируются операционные эскизы операций и чертёж заготовки.

Описание объектов проектирования

1. Структурная модель

Модель детали разрабатывается на основе требований, предъявляемых поставленной задачей:

модель должна позволять удобно и просто описывать характерные для деталей машиностроения геометрические формы;
модель должна быть удобна для выполнения импорта и экспорта изображения с использованием наиболее распространённых стандартов обмена графическими данными, например DXF или KSF;
элементы модели должны обеспечивать однозначную связь с операциями и переходами технологического процесса;
модель должна обеспечивать однозначную связь размеров детали, заготовки и операционных размеров;
модель должна позволять автоматически выявлять размерные связи, выполнять размерный анализ и выполнять ресинтез технологического процесса.

В основу модели положены идеи, излагаемые в работе . Описание геометрии осуществляется с использованием библиотеки элементов формы (ЭФ), образующих наружный - главный контур детали, и вспомогательных элементов (ЭВ), накладываемых на ЭФ, с учётом типа детали.

Тип детали определяется на основе кинематического подхода и задается способом получения поверхности, образующей главный контур детали:

деталь вращения (вал, втулка, диск и т.п.) образуется вращением образующей относительно главной оси детали;
деталь вытягивания (планка, корпус, пластина и т.п.) образуется перемещением образующей относительно координатного направления.

Структура геометрии определяется типом детали (в силу ограниченного объёма в дальнейшем рассмотрим только детали вращения) и включает:

объект (деталь, заготовка, операционный эскиз);
координатное направление, задаваемое для каждого объекта плоскостью визуализации (число направлений произвольное, достаточное для описания детали).

Каждое координатное направление включает описание:

главного контура;
дополнительных контуров (число дополнительных контуров не ограничивается).

Признаком начала описания контура является система координат (СК).

В пределах каждого контура структура делится на разделы:

раздел ЭФ (начинается с СК);
раздел ЭВ;
раздел координирующих размеров.

Каждый ЭФ содержит список параметров, необходимых для синтеза технологического процесса:

квалитет;
параметр шероховатости;
значение параметра шероховатости;
вид параметра отклонения формы;
значение параметра отклонения формы;
вид параметра отклонения расположения поверхности;
значение параметра отклонения расположения поверхности;
вид термообработки;
толщина слоя термообработки;
шкала твёрдости;
значение твёрдости;
вид покрытия;
толщина покрытия;
вид химико-термической обработки;
толщина слоя химико-термической обработки;
вид дополнительной обработки.

Вся деталь (включая системы координат дополнительных контуров) описывается в системе координат главного контура.

ЭФ в пределах раздела упорядочиваются (сортируются) по значению координаты привязки к началу контура (к началу системы координат). При сортировке определяется признак положения (слева, середина, справа). Признак записывается в ЭФ.

ВФ не сортируются (размещаются в порядке их записи), но связываются с ЭФ, на которых они образованы, двусторонней связью. Привязка ВФ осуществляется с учётом признака его положения - ближайшее или удаленное относительно начала СК. Признак положения позволяет ориентировать ЭВ. Удалённое положение привязывает ЭВ к правой стороне ЭФ с поворотом на 180. Для каждого ЭФ устанавливается перечень допустимых ЭВ.

ЭФ и ЭВ именуются оригинальными именами - идентификаторами, которые присваиваются каждому новому ЭФ автоматически с использованием генератора идентификаторов. Идентификатор представляется целым числом и используется для идентификации поверхностей, участвующих в размерном анализе.

Некоторые ЭФ является системными. Они определяются системой при создании основных ЭФ автоматически. Примером системного элемента является торец ступени.

Указание последовательности выполнения технологических операций;

Основные этапы развития технологии разработки

Технологией программирования называют совокупность методов и средств, используемых в процессе разработки программного обеспечения. Как любая другая технология, технология программирования представляет собой набор технологических инструкций, включающих:

указание последовательности выполнения технологических операций;

перечисление условий, при которых выполняется та или иная опера-

ция; описания самих операций, где для каждой операции определены ис-

ходные данные, результаты, а также инструкции, нормативы, стандарты, критерии, методы оценки и т. п. (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура описания технологической операции

Кроме набора операций и их последовательности, технология также определяет способ описания проектируемой системы, точнее модели, используемой на конкретном этапе разработки.

Различают технологии, используемые на конкретных этапах разработки или для решения отдельных задач этих этапов, и технологии, охватывающие несколько этапов или весь процесс разработки. В основе первых, как правило, лежит ограниченно применимый метод, позволяющий решить конкретную задачу. В основе вторых – базовый метод или подход, определяющий совокупность методов, используемых на разных этапах разработки, или проектируемой системы, точнее модели, используемой на конкретном этапе разработки.

Чтобы разобраться в существующих технологиях программирования и определить основные тенденции их развития, целесообразно рассматривать эти технологии в историческом контексте, выделяя основные этапы развития программирования как науки.

1.1.1. Этап 1. «Стихийное» программирование

Этот этап охватывает период от момента появления первых вычислительных машин до середины 60-х гг. XX в. В это время практически отсутствовали технологии разработки программного обеспечения и программирование фактически было искусством. Первые программы имели простейшую структуру. Они состояли из собственно программы на машинном языке и обрабатываемых ею данных (рис. 1.2 ). Сложность программ в машинных кодах ограничивалась способностью программиста одновременно мысленно отслеживать последовательность выполняемых операций и местонахождение данных при программировании.

Рис. 1.2. Структура первых программ

Появление ассемблеров позволило вместо двоичных или шестнадцатеричных кодов использовать символические имена данных и мнемоники кодов операций. В результате программы стали более «читаемыми».

Создание языков программирования высокого уровня, таких как FORTRAN и ALGOL, существенно упростило программирование вычислений, снизив уровень детализации операций. Это, в свою очередь, позволило увеличить сложность программ.

Революционным было появление в языках средств, позволяющих оперировать подпрограммами. (Идея написания подпрограмм появилась гораздо раньше, но отсутствие средств поддержки в первых языковых средствах существенно снижало эффективность их применения.) Подпрограммы можно было сохранять и использовать в других программах. В результате были созданы огромные библиотеки расчетных и служебных подпрограмм, которые по мере надобности вызывались из разрабатываемой программы.

Типичная программа того времени состояла из основной программы, области глобальных данныхи набора подпрограмм (в основном библиотечных), выполняющих обработку всех данных или их части (рис. 1.3 ).

Подпрограммы

Рис. 1.3. Принцип работы программ с глобальной областью данных

данные

анные

Подпрограммы с локальными данными

Рис. 1.4. Принцип работы программы, использующей подпрограммы с локальными данными

Слабым местом такой архитектуры было то, что при увеличении количества подпрограмм возрастала вероятность искажения части глобальных данных какой-либо подпрограммой. Например, подпрограмма поиска корней уравнения на заданном интервале по методу деления отрезка пополам меняет величину интервала. Если при выходе из подпрограммы не предусмотреть восстановления первоначального интервала, то в глобальной области окажется неверное значение интервала. Чтобы сократить количество таких ошибок, было предложено в подпрограммах размещать локальные данные

(рис. 1.4 ).

Сложность разрабатываемого программного обеспечения при использовании подпрограмм с локальными данными по-прежнему ограничивалась возможностью программиста отслеживать процессы обработки данных, но уже на новом уровне. Однако появление средств поддержки подпрограмм позволило осуществлять разработку программного обеспечения нескольким программистам параллельно.

В начале 60-х гг. XX в. разразился «кризис программирования». Он выражался в том, что фирмы, взявшиеся за разработку сложного программного обеспечения такого, как операционные системы, срывали все сроки завершения проектов. Проект устаревал раньше, чем был готов к внедрению, увеличивалась его стоимость, и в результате многие проекты так никогда и не были завершены.

Объективно все это было вызвано несовершенством технологии программирования. Прежде всего, стихийно использовалась разработка «снизувверх» – подход, при котором вначале проектировали и реализовывали сравнительно простые подпрограммы, из которых затем пытались построить сложную программу. В отсутствии четких моделей описания подпрограмм и методов их проектирования создание каждой подпрограммы превращалось в непростую задачу, интерфейсы подпрограмм получались сложными, и при сборке программного продукта выявлялось большое количество ошибок согласования. Исправление таких ошибок, как правило, требовало серьезного изменения уже разработанных подпрограмм, что еще более осложняло ситуацию, так как при этом в программу часто вносились новые ошибки, которые также необходимо было исправлять... В конечном итоге процесс тестирования и отладки программ занимал более 80 % времени разработки, если вообще когда-нибудь заканчивался. На повестке дня самым серьезным образом стоял вопрос разработки технологии создания сложных программных продуктов, снижающей вероятность ошибок проектирования.

Анализ причин возникновения большинства ошибок позволил сформулировать новый подход к программированию, который был назван «структурным».

1.1.2. Этап 2. Структурный подход к программированию (60–70-е гг. ХХ в.)

Структурный подход к программированию представляет собой совокупность рекомендуемых технологических приемов, охватывающих выполнение всех этапов разработки программного обеспечения. В основе структурного подхода лежит декомпозиция (разбиение на части) сложных систем с целью последующей реализации в виде отдельных небольших подпрограмм. С появлением других принципов декомпозиции (объектного, логического и т. д.) данный способ получил название «процедурной декомпозиции».

В отличие от используемого ранее процедурного подхода к декомпозиции структурный подход требовал представления задачи в виде иерархии подзадач простейшей структуры. Проектирование, таким образом, осуществлялось «сверху-вниз» и подразумевало реализацию общей идеи, обеспечивая проработку интерфейсов подпрограмм. Одновременно вводились ограничения на конструкции алгоритмов, рекомендовались формальные модели их описания, а также специальный метод проектирования алгоритмов – метод пошаговой детализации.

Поддержка принципов структурного программирования была заложена в основу так называемых процедурных языков программирования. Как правило, они включали основные «структурные» операторы передачи управления, поддерживали вложение подпрограмм, локализацию и ограничение области «видимости» данных. Среди наиболее известных языков этой группы стоит назвать PL/1, ALGOL-68, Pascal, С.

Одновременно со структурным программированием появилось огромное количество языков, базирующихся на других концепциях, но большинство из них не выдержало конкуренции. Какие-то языки были просто забыты, идеи других были в дальнейшем использованы в следующих версиях развиваемых языков.

Дальнейший рост сложности и размеров разрабатываемого программного обеспечения потребовал развития структурирования данных. Как следствие этого в языках появляется возможность определения пользовательских типов данных. Одновременно усилилось стремление разграничить доступ к глобальным данным программы, чтобы уменьшить количество ошибок, возникающих при работе с глобальными данными. В результате появилась и начала развиваться технология модульного программирования.

Модульное программирование предполагает выделение групп подпрограмм, использующих одни и те же глобальные данные в отдельно компилируемые модули (библиотеки подпрограмм), например, модуль графических ресурсов, модуль подпрограмм вывода на принтер (рис. 1.5 ). Связи между модулями при использовании данной технологии осуществляются через специальный интерфейс, в то время как доступ к реализации модуля (телам подпрограмм и некоторым «внутренним» переменным) запрещен. Эту технологию поддерживают современные версии языков Pascal и С (C++), языки Ада и Modula.

Использование модульного программирования существенно упростило разработку программного обеспечения несколькими программистами. Теперь каждый из них мог разрабатывать свои модули независимо, обеспечивая взаимодействие модулей через специально оговоренные межмодульные интерфейсы. Кроме того, модули в дальнейшем без изменений можно было использовать в других разработках, что повысило производительность труда программистов.

анными

анные

Рис. 1.5. Модульная структура программ

Практика показала, что структурный подход в сочетании с модульным программированием позволяет получать достаточно надежные программы, размер которых не превышает 100 000 операторов. Узким местом модульного программирования является то, что ошибка в интерфейсе при вызове подпрограммы выявляется только при выполнении программы (из-за раздельной компиляции модулей обнаружить эти ошибки раньше невозможно). При увеличении размера программы обычно возрастает сложность межмодульных интерфейсов, и с некоторого момента предусмотреть взаимовлияние отдельных частей программы становится практически невозможно. Для разработки программного обеспечения большого объема было предложено использовать объектный подход.

Проектирование технологического процесса изготовления детали можно представить в виде двух самостоятельных этапов (рис. 1.):
1. Анализ исходных данных для проектирования технологических процессов.
2. Непосредственное проектирование технологического процесса механической обработки.
На первом этапе требуется предварительно изучить исходную информацию, необходимую для проектирования технологического процесса изготовления детали.
Основополагающими исходными данными для проектирования технологического процесса изготовления детали служат: рабочие чертежи детали и технические требования на ее изготовление, регламентирующие точность, параметр шероховатости поверхности и другие требования качества; сборочный чертеж узла, в котором установлена деталь, показывающий взаимодействие детали с другими, технические условия на сборку; объем годового выпуска изделий.
Для разработки технологического процесса изготовления детали требуется предварительно изучить ее конструкцию и функции, выполняемые в узле, механизме, машине, проанализировать технологичность конструкции и проконтролировать чертеж. Рабочий чертеж детали должен иметь все данные, необходимые для исчерпывающего и однозначного понимания при изготовлении и контроле детали, и соответствовать действующим стандартам.
Технологичность конструкции детали (совокупность свойств конструкции, обеспечивающих ее экономичное изготовление) анализируют с учетом условий производства, рассматривая особенности конструкции и требования к качеству как исходные условия принципиальной возможности изготовления детали в данных условиях. Выявляют возможные трудности обеспечения параметров шероховатости поверхности, размеров, форм и расположения поверхностей при использовании существующего оборудования, инструментов, приспособлений и метрологических средств. Обращают внимание на конфигурацию и размерные соотношения детали, устанавливают обоснованность требований точности, выявляют возможность тех или иных изменений, не влияющих на качество детали, но облегчающих ее изготовление.
Анализируют специальные технические требования (балансировку, подгонку по массе, термическую обработку и т.д.), предусматривают их выполнение в технологическом процессе и место проверки. Изменения утверждают в установленном порядке и вносят в рабочие чертежи и технические требования на изготовление детали.
Анализ условий работы детали в узле позволяет определить требования к материалу для изготовления детали и сформировать условия его выбора; предварительно наметить систему мероприятий, направленных на повышение эксплуатационной стойкости детали.
Анализ программы (объема) выпуска продукции позволяет определить тип производства, который является основой для выбора заготовки и метода ее изготовления. Метод получения заготовки выбирают исходя из минимальной себестоимости готовой детали для заданной программы выпуска. Чем больше форма и размеры заготовки приближаются к форме готовой детали, тем дороже она в изготовлении, но тем проще и дешевле ее последующая механическая обработка и меньше расход материала.
На втором этапе, после предварительного анализа исходных данных, технолог приступает к непосредственному проектированию технологического процесса механической обработки, включающего в себя разработку маршрутной (определение состава операций и необходимого технологического оснащения) и операционной технологии (разработка структуры операции и осуществление технологических расчетов) обработки деталей. Выполняются следующие виды работы (см. рис. 1.).

Рисунок 1. Алгоритм проектирования технологического процесса изготовления детали

1. Выбор установочной базы и способа закрепления заготовки на этой базе.
2. Намечают измерительные и чистовые базы и способы закрепления заготовок на этих базах.
3. Установление последовательности обработки.
4. Выбор методов (операций) обработки.
5. Выбор оборудования, приспособлений и инструментов.
6. Определение состава переходов в пределах операции.
7. Определение расчетных размеров обрабатываемых поверхностей для каждого перехода (расчет припусков на обработку);
8. Выбор режимов работы оборудования (расчет режимов резания), определение основного (технологического) времени и нормы на выполнение работы в целом.
Технологический процесс составляют с учетом передовых методов труда, опыта новаторов производства и современного уровня технологии. Технологический процесс должен обеспечивать высокую производительность и экономичность, а также требуемую точность и чистоту обработки.
Указанная последовательность действий в основном отражает специфику массового и серийного производства. В этих условиях у технолога есть возможность разработать «идеальный» технологический процесс изготовления изделия, под который будут заказаны соответствующие станки, изготовлены приспособления и инструмент.

место термической обработки в технологическом процессе, приступают к формированию оптимальных операций обработки на станках с учетом ограничений.

Задача формирования оптимальных операций носит многовариантный характер, и область решений можно ограничить двумя предельными случаями: каждый переход соответствует однопереходной операции ; все переходы выполняются в одной операции .

Перед началом решения задачи общую совокупность переходов распределяют на подмножества при выполнении ограничений (см. таблицу 12.1). Каждый столбец соответствует маршруту обработки поверхности изделия. В случае отсутствия того или иного перехода ячейки массива не заполняют (ставят 0).

Необходимо распределить имеющиеся переходы по операциям так, чтобы значение целевой функции (например, себестоимости выполнения операции ) конкретного варианта было минимальным.

Для сужения области поиска оптимального варианта сочетаний используют критерий отбора , который позволяет исключить из рассмотрения часть вариантов.

Таблица 12.1.

						№ Обрабатываемой поверхности изделия
1	2	…	1	…	n	…	…	…	…	…	…
11	12	…	i	…	1n	1	1	…	0	…	1
21	22	…	2i	…	2n	…	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…	M	0	…	m	…	m
K1	k2	…	ki	…	kn	P	0	…	Pi	…	Pn

12.3. Общий алгоритм проектирования операционной технологии

Рассмотрим общий алгоритм проектирования операционной технологии .

В соответствии с характером решаемых задач и структурой критерия оптимальности проектирования синтез технологических операций расчленяется на четыре составные части (рис. 12.1). В первой определяются наиболее рациональные форма, припуски, допуски и межоперационные размеры изделия, поступившего на операцию, т. е. состояние .

Рис. 12.1.

Алгоритмы третьей части осуществляют синтез временной структуры операции , т. е. уточняют состав переходов, определяют порядок их выполнения и характер совмещения во времени.

В четвертую часть входят алгоритмы определения параметров и технико-экономических характеристик операции .

Итак, мы рассмотрели три уровня для автоматизированных систем проектирования ТП:

проектирование принципиальной схемы;
проектирование технологического маршрута;
проектирование операционной технологии .

Процесс проектирования идет от уровня к уровню и на каждом уровне является итерационным с накоплением опыта, обобщением и корректировкой на каждом уровне (рис. 12.2).

Операцией " обобщение " накопленного опыта из числа ранее спроектированных ТП формируются типовые проектные решения, типовые и групповые алгоритмы. Улучшается значение эвристических критериев самоотбора, совершенствуются структура и параметры алгоритмов синтеза, анализа и оптимизации. Обобщение накопленного опыта проводится в режиме человеко-машинного проектирования с оперативным отображением процессов-аналогов на экраны дисплеев.

Контрольные вопросы и упражнения

Что включает в себя операционная технология?
Что необходимо знать для построения операции?
Что включает в себя спроектированный с помощью ЭВМ маршрут?
Какие факторы оказывают влияние на построение операций?
Что входит в задачу формирования оптимальной операции?
Какие исходные данные используются при проектировании с помощью ЭВМ ТП?
Что является технологическими ограничениями , определяющими допустимые варианты ТП изготовления на предприятии?
Чем определяется структура технологической операции?
Как определяется число переходов в операции?
Назовите технологические ограничения, определяющие допустимые варианты ТП изготовления на предприятии.

						№ Обрабатываемой поверхности изделия
1	2	…	1	…	n	…	…	…	…	…	…
11	12	…	i	…	1n	1	1	…	0	…	1
21	22	…	2i	…	2n	…	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…	M	0	…	m	…	m
K1	k2	…	ki	…	kn	P	0	…	Pi	…	Pn

						№ Обрабатываемой поверхности изделия
1	2	…	1	…	n	…	…	…	…	…	…
11	12	…	i	…	1n	1	1	…	0	…	1
21	22	…	2i	…	2n	…	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…	M	0	…	m	…	m
K1	k2	…	ki	…	kn	P	0	…	Pi	…	Pn

						№ Обрабатываемой поверхности изделия
1	2	…	1	…	n	…	…	…	…	…	…
11	12	…	i	…	1n	1	1	…	0	…	1
21	22	…	2i	…	2n	…	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…	M	0	…	m	…	m
K1	k2	…	ki	…	kn	P	0	…	Pi	…	Pn