Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА

ТЕМА:

Автоматизированное проектирование станочной оснастки

Факультет: ЛА

Группа: С-72

Студент: Варфоломеева М.О

Руководитель: Нарышева Г. Г

Новосибирск 2001 г

1. Станочные приспособления - классификация, виды

1.1.1 Станочные приспособления

Основную группу технологической оснастки составляют приспособления механосборочного производства. Приспособлениями в машиностроении называют вспомогательные устройства к технологическому оборудованию, используемые при выполнении операций обработки, сборки и контроля.

Применение приспособлений позволяет:

- устранить разметку заготовок перед обработкой, повысить ее точность;

- увеличить производительность труда на операции;

- снизить себестоимость продукции;

- облегчить условия работы и обеспечить ее безопасность;

- расширить технологические возможности оборудования;

- организовать многостаночное обслуживание;

- применить технически обоснованные нормы времени и сократить число рабочих, необходимых для выпуска продукции.

Частая смена объектов производства, связанная с нарастанием темпов технического прогресса, требует создания конструкций приспособлений, методов их расчета, проектирования и изготовления, обеспечивающих неуклонное сокращение сроков подготовки производства.

Затраты на изготовление технологической оснастки составляют 15... 20 % от затрат на оборудование для технологического процесса обработки деталей машин или 10-24 % от стоимости машины. Станочные приспособления занимают наибольший удельный вес по стоимости и трудоемкости изготовления в общем количестве различных типов технологической оснастки.

1.1.2 Классификация приспособлений

Классификацию приспособлений проводят по следующим признакам:

1. По целевому назначению приспособления делят на пять групп:

- станочные приспособления для установки и закрепления обрабатываемых заготовок на станках. В зависимости от вида обработки различают токарные, фрезерные, сверлильные, расточные, шлифовальные и другие приспособления;

- приспособления для крепления режущего инструмента. Они характеризуются большим числом нормализованных деталей и конструкций, что объясняется нормализацией и стандартизацией самих режущих инструментов;

- сборочные приспособления используют при выполнении сборочных операций, требующих большой точности сборки и приложения больших усилий;

- контрольно-измерительные приспособления применяют для контроля заготовок, промежуточного и окончательного контроля, а также для проверки собранных узлов и машин. Контрольные приспособления служат для установки мерительного инструмента;

- приспособления для захвата, перемещения и перевертывания обрабатываемых заготовок, а также отдельных деталей и узлов при сборке.

2. По степени специализации приспособления делят на универсальные, специализированные и специальные.

Универсальные приспособления (УП) используют для расширения технологических возможностей металлорежущих станков. К ним относятся универсальные, поворотные, делительные столы; самоцентрирующие патроны.

Универсальные без наладочные приспособления (УБП) применяются для базирования и закрепления однотипных заготовок в условиях единичного и мелкосерийного производства. К этому типу принадлежат универсальные патроны с неразъемными кулачками, универсальные фрезерные и слесарные тиски.

Универсально-наладочные приспособления (УНП) используют для базирования и закрепления заготовок в условиях многономенклатурного производства. К ним относятся универсальные патроны со сменными кулачками, универсальные тиски, скальчатые кондукторы.

Специализированные без наладочные приспособления (СБП) используют для базирования и закрепления заготовок, близких по конструктивным признакам и требующих одинаковой обработки. К таким приспособлениям принадлежат приспособления для обработки ступенчатых валиков, втулок, фланцев, дисков, корпусных деталей и др.

Специализированные наладочные приспособления (СНП) применяют для базирования и закрепления заготовок, близких по конструктивно-технологическим признакам и требующих для их обработки выполнения однотипных операций и специальных наладок.

Универсально-сборные приспособления (УСП) применяют для базирования и закрепления конкретной детали. Из комплекта УСП собирают специальное приспособление, которое затем разбирают, а элементы УСП многократно используют для сборки других приспособлений.

Специальные приспособления (СП) используют для выполнения определенной операции и при обработке конкретной детали. Такие приспособления называются одноцелевыми. Их применяют в крупносерийном и массовом производстве.

3. По функциональному назначению элементы приспособлений делят на установочные, зажимные, силовые приводы, элементы для направления режущего инструмента, вспомогательные механизмы, а также вспомогательные и крепежные детали (рукоятки, сухари, шпонки). Все эти элементы соединяются корпусными деталями.

4. По степени механизации и автоматизации приспособления подразделяют на ручные, механизированные, полуавтоматические и автоматические.

Современные приспособления - это большой класс технологических объектов, отличающихся многообразием конструкций, многокомпонентностью и иерархичностью структуры, сложной геометрией составляющих и широким диапазоном изменения размеров, различной степенью универсальности и типовности.

Для авиа производства характерным является то, что среди большого объёма создаваемых конструкций удельный вес типовых приспособлений весьма невысок. Поэтому проектирование невозможно свести только к размерным и некоторым другим расчётам. В принципе, это цельный комплекс серьёзных проблем и задач, к решению которых необходимо привлекать современные методы и средства автоматизации.

1.2 CAD/CAM СИСТЕМЫ - ЧТО ЭТО

CAD/CAM системами на западе называют то, что в странах бывшего СССР принято было называть аббревиатурой САПР, то есть Системы Автоматизированного Проектирования. Впервые термин СAD прозвучал в конце 50-х гг прошлого века в Массачусетском технологическом институте в США. Распространение эта аббревиатура получила уже в 70-х г как между народное обозначение технологии конструкторских работ. С началом применнния вычислительной техники под словом CAD подразумевалась обработка данных средствами машинной графики. Однако этот один термин не отражает всего того, что им иногда называют. Например, САПР могут предназначаться для: черчения, для прочерчивания (эскизирования) или и для того, и для другого сразу. Сама же аббревиатура CAD может расшифровываться так: Computer Aided Design,или Computer Aided Drafting (проектирование и конструирование с помощью ЭВМ или черчение с помощью ЭВМ).Понятия «конструирование» и «черчение с помощью ЭВМ» всего лишь малая часть функций, выполняемых САПР. Многие из систем выполняют существенно больше функций, чем просто черчение и конструирование. И существует их более точное обозначение :

САЕ - Computer Aided Engineering (инженерные расчёты с помощью ЭВМ, исключая автоматизирование чертёжных работ).Иногда этот термин использовался как понятие более высокого уровня- для обозначения всех видов деятельности, которую инженер может выполнять с помощью компьютера.

CAM - Computer Aided Manufacturing. Программирование устройств ЧПУ станков с помощью CAD-систем отождествляют с понятием CAM (так называемые CAD/CAM системы).В иных случаях под САМ понимают применение ЭВМ в управлении производством и движением материалов.

CAQ - Computer Aided Quality Assurance.Определяет поддерживаемое компьютером обеспечение качества, прежде всего программирование измерительных машин.

САР - Computer Aided Planning - автономное проектирование технологических процессов, например, при подготовке производства.

CIM - Computer Integrated Manufacturing - взаимодействие всех названных отдельных сфер деятельности производственного предприятия, поддерживаемого ЭВМ.

При традиционном проектировании оснастки трудоёмкость работ составляет от 50 нормо-часов до нескольких тысяч, а в общем - несколько миллионов. Использование систем автоматизированного проектирования и изготовления оснастки позволяет не только снизить трудоёмкость, временные и денежные затраты, но освободить человека от большого количества однообразной работы, например, от оформления большей части документопотока.

СAD/CAM-системы находят применение в широком диапазоне инженерной деятельности, начиная с решения сравнительно простых задач проектирования и изготовления конструкторско-технологической документации и, кончая, задачами объёмного геометрического моделирования, ведением проекта, управления распределенным процессом проектирования и т.п. Современные изделия можно создать только с использованием CAD/CAM-систем на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации.

Разработка и создание CAD/CAM-систем является достаточно сложным и длительным процессом, требует значительных затрат материальных и людских ресурсов. К сожалению, за последние годы государственная политика по отношению к коллективам, создающим CAD/CAM-системы, резко изменилась. Из -за отсутствия централизованного финансирования практически прекращены новые разработки в этой области. Значительное количество коллективов разработчиков распалось. В результате, например, среди отечественных машиностроительных CAD систем поставляемых на рынок, продавалось не более пяти 2D-систем и не более одной-двух 3D-систем. Полностью отсутствовали системы для проектирования в радиоэлектронике, строительстве и архитектуре. В то же время значительные средства расходуются организациями на закупку дорогостоящих зарубежных CAD/CAM-систем. Пользователи на местах оказываются неподготовленными к применению этих систем, и иногда случается, что в одной организации скапливаются несколько типов дублирующих друг друга систем, порой практически неэксплуатируемых.

Развитие отечественных CAD/CAM-систем и их широкое использование в промышленности позволит существенно сократить затраты на закупку таких систем за рубежом и тем самым поддержать собственные научные разработки в этой области.

2. Методология проектирования станочной оснастки

2.1 ТРАДИЦИОННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

2.1.1 Исходные данные

Разработка конструкции приспособления заключается в постепенном построении эскиза, выражающего идею приспособления, по контуру обрабатываемой детали. При конструировании приспособлений тщательному изучению и анализу подвергают обрабатываемую деталь, станок, на котором планируется оснащаемая операция, способ подвода режущего инструмента и охлаждающей жидкости, средства обеспечения установки детали, удаления стружки и др. Учитывают положение станочника относительно проектируемого приспособления и оборудования, размер партии деталей и планируемую производительность обработки, структуру технологической операции и режимы резания, вес заготовки, способ её загрузки и выгрузки.

В процессе анализа обрабатываемой детали выделяют поверхности, подлежащие обработке в проектируемом приспособлении, поверхности, назначенные технологическими базами и под зажимы. Изучают геометрическую форму, размеры, координаты взаимного расположения поверхностей, а также требования точности обработки.

2.1.2 Порядок проектирования

Конструирование функциональных элементов приспособления создаётся постепенно по мере аналитического рассмотрения функциональных поверхностей обрабатываемой детали. При этом на стадии конструирования каждой очередной функциональной группы элементов осуществляется их увязка с решениями, полученными на более ранних стадиях.

Наиболее общие методические указания по конструированию приспособлений приведены в следующих пунктах:

1. Конструирование установочных элементов.

При анализе технологических баз (установочной, направляющей, опорной) принимают решения о типах, размерах, пространственном положении и точном исполнении установочных элементов станочного приспособления. Эти решения фиксирует на чертеже, содержащем изображение обрабатываемой детали. Конструкция установочных элементов приспособления зависит от формы, размеров, расположения и точности баз обрабатываемой детали.

2. Конструирование направляющих элементов

В результате изучения обрабатываемых поверхностей детали принимают решения о конструкции элементов приспособления для направления режущего инструмента (кондукторных втулок в сверлильных приспособлениях, установок в приспособленных для фрезерования и др.)

3. Конструирование зажимных элементов

Конструкцию зажимных элементов и устройств приспособления определяют при проектировании после анализа формы и размеров поверхностей обрабатываемой детали, назначенных технологом под зажим. При этом учитывают силовые факторы, имеющие место в процессе обработки в приспособлении, а также требования производительности и экономичности конструкции.

4. Конструирование корпуса

Осуществляют на завершающем этапе разработки приспособления. Конструкция корпуса в целом должна объединять все функциональные сборочные единицы и детали, иметь достаточную жёсткость, предотвращающую потери точности обработки детали.

2.1.3 Расчёты

К основным расчётам можно отнести расчёты зажимных усилий прихватов и различных зажимных устройств, расчеты пальцев на срез, погрешности базирования и экономические расчёты.

Примеры:

а) Расчёт пальцев. Нередки случаи, когда в качестве технологической базы детали используются цилиндрические отверстия (два или одно).

е b е

Д

Рис. 1

При установке детали на один установочный палец, последний снабжается двусторонним срезом (см. рис.1.), что позволяет компенсировать допустимые отклонения размеров между осью отверстия и базовой плоскостью детали и между осью установочного пальца и той же плоскостью. Ширина направляющего пояска b:

b=(D•Дmin-?^2)/? (2.1)

где D - номинальный диаметр пальца;

?min - минимальный радиальный зазор между

направляющим пояском и стенкой отверстия;

?=д+д' - величина возможного смещения отверстия

относительно установочного пальца;

д - допуск на размер от базовой плоскости до оси

отверстия детали;

д' - допуск на размер от базовой плоскости до оси

срезанного пальца.

При установке на два пальца один из них выполняется срезанным.В этом случае компенсируются допустимые отклонения размеров между осями отверстий детали и осями установочных пальцев приспособления. Ширина направляющего пояска b тогда будет определяться так:

b=(D•Дmin-(?-Д'min)^2)/?-Д'min

где ?=д+д' - величина возможного смещения

отверстий относительно установочных

пальцев за счёт допусков на межцентровые

расстояния(на детали д и в

приспособлении д');

Д'min - минимальный радиальный зазор между стенкой

отверстия и цилиндрическим пальцем,

выбираемый в зависимости от требуемой

точности установки и технологических

факторов и обеспечивающий лёгкость

посадки.

Наибольший перекос детали вследствие имеющихся зазоров между установочными пальцами и отверстиями определяются по формуле:

Sin б =( бo+бn+2Дmin +б'o+б'n+2Д'min)/2L (2.2)

Где бo , б'o - допуски на отверстия соответственно под срезанный и цилиндрический пальцы;

бn , б'n - допуски на пальцы (срезанный и цилиндрический).

В направлении линии центров погрешности установки составляют:

С'= б'o+б'n+2Д'min

С = С'+2д

Приведённые выше зависимости показывают, что точность установки можно повысить путём замены цилиндрического жёсткого пальца самоцентрирующимся разжимным. При этом получим:

С'= 0

С = 2д

Sin б = (бo+бn+2Дmin)/2L

Для ещё большего увеличения точности установки детали целесообразно иногда делать самоцентрирующимися оба пальца.

б)Экономические расчёты. Точная проверка экономической целесообразности выбора того или иного типа приспособлений сопряжена с известными трудностями. Обычно прибегают к приближённым методам расчёта.

Критерием для определения целесообразности использования приспособления является себестоимость его эксплуатации, которую можно выразить упрощённой формулой:

А 1 q

C = -- * - + ------ (2.3)

n i 100

где А - стоимость приспособления в руб.;

n - годовая программа производства деталей в шт.;

i - срок службы приспособления в годах;

q - процент расходов на ремонт приспособления и уход за ним.

Как видно из формулы, при малой производственной программе использование дорогостоящих специальных приспособлений может оказаться нецелесообразным. В таких случаях следует применять высокопроизводительные универсальные приспособления, а также приспособления, собираемые из готовых взаимозаменяемых деталей. Время демонтажа и сборки их настолько мало, что приспособлений, используемых для первых операций, могут участвовать в приспособлениях, применяемых для последующих операций.

Снижение расходов на ремонт и уход за приспособлениями достигается путём высококачественного выполнения самого приспособления, повышенной износостойкости установочных и направляющих элементов, удешевления ремонта и т. д.

В самолётостроении, в отличие от остальных отраслей машиностроения, большую долю расчётов при проектировании станочных приспособлении занимают расчёты специальных приспособлений. Особенностью проектирования таких приспособлений является то, что кроме необходимости учитывать конкретные производственные условия и применительно к ним решать задачи о точности и производительности приспособления (требования: точность приспособления должна обеспечивать заданную точность обработки деталей; производительность приспособления должна обеспечивать наибольшую производительность труда ), необходимо также учитывать, что на данное проектирование отводиться сравнительно малое время, так как издержки проектирования падают на конструкцию, изготовляемую в одном или нескольких экземплярах.

Следствием этого является значительно меньшее, чем при разработке серийных конструкций, обоснование расчётами (прочность, жёсткость, износ, экономичность) принимаемых конструктивных решений. Также, при разработке чертежей ориентируются на широкое применение в процессе изготовления приспособления различных методов пригонки деталей и узлов.

2.1.4 Оформление результатов

В общем случае поток документов при проектировании оснастки можно разделить на 5 частей:

Заказ оснастки.

Ведомость заказов.

Сборочный чертёж, рабочие чертежи.

Деталировка.

Спецификации.

2.2 АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Между параметрами оснащаемой детали и формируемой технологической оснасткой существует информационно-функциональная взаимосвязь. Аналогичные взаимосвязи существуют также между технологическими решениями по производству детали и информационными моделями этой детали. Всё это создаёт предпосылки для комплексной автоматизации: деталь- технологический процесс изготовления детали - проектирование и изготовление технологической оснастки - изготовление детали. В связи с этим при автоматизации проектирования приспособлений и был определён метод построения технологического оснащения на базе информационной модели, получившей название синтеза конструкций.

В основу этого метода положены следующие принципы:

1. Информация, описывающая конструкцию приспособления, является результатом переработки сведений об оснащаемой детали и технологических операциях её изготовления.

2. Для конструкции любого приспособления существует возможность её декомпозиции на определённое число составляющих - конструктивных элементов.

3. Конструкция всякого приспособления может быть синтезирована из определённого числа конструктивных элементов.

4. Конструктивные элементы отличаются свойствами и характеристиками, которые можно представлять в ЭВМ.

5. Между элементами в конструкции существуют некоторое количество моделированных отклонений, общих для всех приспособлений.

6. В каждом конструктивном элементе как разновидности твёрдого тела можно зафиксировать его положение для определения значений позиционных отношений между элементами.

2.2.5 Порядок проектирования

В компьютер вводиться описание обрабатываемой детали и оснащаемой станочной операции, на основе чего автоматически строится цифровое информационное описание проектируемого приспособления в виде соответствующих цифровых массивов. Управление передаётся блоку составления спецификаций, результаты работы которого выдаются на печатающее устройство в форме документа, определённого стандартами ЕСКД.

Затем выполняются работы по формированию прог-рамм вычерчивания при получении сборочного и деталировочного чертежей конструкции.

Процесс завершается технологической подготовкой производства приспособления и составлением программ для станков с ЧПУ.

Более подробно методология автоматизированного проектирования рассматривается в следующем разделе.

2.3 ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ

Своевременное оснащение технологических процессов изготовления ЛА необходимыми приспособлениями представляет важнейшую задачу подготовки производства. Поэтому вопросы совершенствования процессов проектирования и изготовления технологической оснастки на базе использования математических методов, вычислительной техники и программно-управляемого оборудования приобрели первостепенное значение. Появление идеи создания систем автоматизации комплексно решает задачи синтеза конструкций, их документирования, технологической подготовки производства и обеспечения процессов их изготовления на оборудовании с ЧПУ.

Современной системе проектирования и изготовления целесообразно выполнение следующих функций:

1.Анализ оснащаемого объекта, его изготовления, моделирование этого объекта и процесса изготовления.

2.Синтез конструкций из конструктивных элементов с выполнением точностного, геометрического и силового анализов, оптимизацией по соответствующим критериям полного информационного описания синтезируемой конструкции.

3. Отображение пространственного описания конструкций на плоскости проекций (построение графика сборочного чертежа).

4. Поэлементный анализ конструкции с отображением описаний оригинальных деталей на плоскости проекций, получением деталировочных чертежей и сопоставлением спецификаций.

5. Технологический анализ конструкции, решение технологических задач и получение управляющей информации для изготовления на оборудовании с ЧПУ.

6. Технико-экономическая оценка конструкции и определение её качественных показателей.

7. Разработка необходимой технологической и технико-экономической документации.

Укрупнённая схема системы проектирования и изготовления технологической оснастки показана на рис.2.

Информация об оснащаемой детали и схеме её обработки создаётся (в случае отсутствия её в базе данных) также средствами системы. Это сведения о размерах, геометрии, физических характеристиках, точности оснащаемой детали и отдельных её поверхностях, данные о схеме базирования, закрепления, об обрабатываемых элементах, информация об оснащаемом оборудовании, требуемой производительности обработки, количестве одновременно устанавливаемых заготовок, режимах и усилиях резания.

Каждая из перечисленных функций с решением задач различного уровня и степени сложности.

После анализа и приведения исходной информации к каноническому виду начинается реализация комплекса программ синтеза конструкций, в результате чего генерируется информационное описание конструкции приспособления. Далее составляется спецификация, формируется сборочный и рабочие чертежи деталей конструкции.

Выполнение функций САПР включает в себя поиск типовых изображений для графического моделирования конструктивных элементов приспособлений, компоновку сборочного чертежа из типовых изображений и формирование его описания, определение сборочного чертежа и его масштаба, распознавание видимости линий на чертеже из условий видимости и принятого масштаба, идентификацию структурных единиц конструкции на чертеже.

Последовательность работ при решении задач синтеза конструкций приспособлений следующая:

Сначала создаётся общая компоновка конструкции. Решение этой глобальной задачи связано с анализом информации об оснащаемой детали в целом и далее локальные задачи, связанные с отдельными поверхностями детали.

Для их решения рассматриваются и моделируются локальные проектные ситуации, которые могут возникать в связи с одной какой-либо поверхностью детали. Локальную проектную ситуацию характеризуют форма, размеры, технологическое назначение поверхности обрабатываемой детали, конфигурация, количество и пространственное расположение функциональных элементов приспособления, контактирующих с данной поверхностью.

Примером глобальной задачи является синтез корпуса приспособления на основе данных об оснащаемой детали и конструктивных элементах, которые он объединяет в единую жёсткую систему. Локальной задачей могут быть определение количества и расстановка пластинчатых опор под базовой плоскостью, ограниченной контуром.

Процесс синтеза - это накопление информации, отображающее изменения пространственного образа конструкции во времени. То есть это многоэтапный процесс, который начинается в момент завершения формирования модели обрабатываемой детали, а заканчивается формированием полного описания требуемой конструкции приспособлений. Этапы синтеза - это части процесса, соответствующие построению определённых групп элементов приспособлений установочных, направляющих, зажимных, фиксаций и т.д.

Для большинства этапов процесс синтеза протекает в три стадии. Например, при синтезе установочных элементов на первой стадии из описания обрабатываемой детали выделяется для анализа информация, характеризующая схему базирования этой детали.

На второй стадии происходит выбор схемы установки, которая представляет собой перечень наименований классов установочных элементов, реализующих выбранную схему (установка на цилиндрический палец и штыри, установка с помощью двух призм и пластинчатых опор и т.д.)

На третьей стадии осуществляется воплощение выбранной схемы установки в виде конструктивно завершённой функциональной группы установочных элементов приспособления.

Аналогичные стадии проводятся также на этапах синтеза функциональных групп зажимных, направляющих, делительных корпусных и других элементов.

Важным вопросом является получение рациональной конструкции. Трудности решения задач оптимизации заключаются в их многокритериальности и многопараметричности. Рациональные решения могут быть получены только на отдельных стадиях проектирования, например, на стадии выбора схемы установки.

Конструкция должна быть работоспособной, пригодной для обработки оснащаемой детали и обеспечивающей требуемые параметры точности. Пригодность конструкции определяется рядом технических, технологических, эстетических, экономических и других показателей (точности, жёсткости, дисбаланса, быстродействия, простоты и технологичности, удобства и безопасности, эстетичности внешнего вида и др.)

Последовательность процессов синтеза приспособлений строится на аналогии с практикой традиционного конструирования. Например, для сверлильных приспособлений процесс синтеза конструкций сводиться к выполнению последовательно решаемых задач, как определение типа кондукторных втулок, нахождение толщины кондукторной плиты, определение габаритов поля, занятого кондукторными втулками, нахождение высот кондукторных втулок, распознавание установочно-зажимной схемы приспособлений, проектирование установочных элементов и элементов зажима.

Завершающими этапами являются синтез несущих специальных конструктивных элементов типа кондукторных плит и корпусов, а также проектирование вспомогательных и нижних (подкладных) плит.

Все работы, проводимые при синтезе конструкции приспособлений можно разбить на две группы. К первой относятся работы по компоновке конструкций, ко второй - проектирование специальных конструктивных элементов.

При формализации процессов компоновки конструкций из конструктивных элементов решаются следующие задачи:

Выбор определённых значений из базы по заданным условиям.

Геометрического анализа.

Непосредственного проектирования: определения количества и положения функциональных конструктивных элементов, выделении параметров, от которых зависит возможность использования элементов по ГОСТ (СТП), проверка возможности применения ГОСТ (СТП).

Расчётного типа.

Построения результирующих данных по заданным требованиям.

К основным задачам проектирования специальных элементов можно отнести следующие:

Выбор типа элементов.

Расчёт конструктивных размеров.

Определение материала для изготовления.

Синтез формы конструктивных элементов.

Известно, что в базу конструктивных элементов включается отличные по форме конструктивные элементы, которые нецелесообразно членить на составляющие. В ряде случаев трудно предусмотреть необходимую форму специального элемента; она окончательно вырисовывается в процессе проектирования приспособления. Поэтому в базу конструктивных элементов включаются также и элементы формы, с помощью которых в процессе синтеза дорабатываются базовые конструктивные элементы.

Система предусматривает хорошо организованную базу данных, состоящую прежде всего из конструктивных элементов.

Конструктивные элементы - это объекты со своими свойствами (форма, структура, функции, материал, и др.), количественными параметрами (размеры, вес, допуски, состав, и др.). То есть это часть конструкции, обладающая информационной самостоятельностью.

В принципе, каждый конструктивный элемент обладает неисчерпаемой информацией. Поэтому отбор и классификация информации о конструктивном элементе должны осуществляться с учётом необходимости и достаточности. Информация о конструктивном элементе, по смыслу содержащихся в ней сведений можно разделить на метрическую (размерные характеристики), технологическую (материал, термообработка, точность, шероховатость), спецификационную (наименования, обозначения), графическую (изображение конструктивных элементов на чертежах, экране и т.д.). К конструктивным элементам относятся стандартные детали с постоянной геометрической формой.

3. Основные характеристики некоторых существующих CAD/CAM систем

Одной из основных задач, вставшей с появлением ЭВМ и оборудования с ЧПУ является сокращение времени подготовки управляющей информации и уменьшение вероятности ошибок.

Впервые задача автоматизированного программирования для изготовления деталей на станках с ЧПУ была поставлена и решена Ассоциацией авиа космической промышленности США в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом в 1959-1961 гг. Был разработан специальный проблемно - ориентированный язык программирования АРТ (Auto-matic Programming Tools) и основанная на нём система программного обеспечения. Эта система рассчитана на применение достаточно мощной для того времени ЭВМ (IBM 360/370) и охватывает практически все возможные операции от 2-х до многокоординатной обработки. По опыту использования этой системы в производстве получено снижение трудоёмкости программирования практически в 10 раз. На базе этой системы, а также по аналогии стали появляться во всех во всех странах бесконечное количество различного рода систем. Достаточно назвать некоторые из них: АРТ-1,АРТ-2, АРТ-3, и т.д.; ЕХАРТ-1,2,3; ADAPT, AUTOPRESS, CLAM, COCOMAT и т.д. Многие из них используются до сих пор с некоторыми доработками, с учётом развития вычислительной техники и адаптации этих систем к современным ЭВМ. Система АП, как правило, состоит из языка описания геометрии детали, её технологии, предпроцессора, процессора и постпроцессора.

Но разработки всё новых и новых систем автоматизированного проектирования не прекратились. Современные САПР можно условно разделить на «лёгкие» и «тяжёлые».Их различают по объёму возможностей, а значит, и по требованиям к ЭВМ, на котором предполагается их использование. Различия могут выражаться в особенностях возможностей 2D (плоского) и 3D (объёмного) проектирования, наличия возможности твёрдотельного моделирования, возможности вывода полученных данных на печать, станок с ЧПУ и т.п.

Рассмотрим некоторые из CAD систем.

Успех AutoCAD.

AutoCAD - безусловно, самая широко известная, занимающее одно из ведущих мест в среде CAD/CAM система.

Компания Autodesk, которой мы обязаны этой разработкой, была основана в апреле 1982 года группой из 15 программистов. А уже осенью того же года на проходившей в Лас-Вегасе выставке Comdex компания объявила о создании новой программы, получившей название AutoCAD . Новый продукт начал продаваться на рынке в начале 1983 года, и с того момента фактически стал одним из стандартов в области автоматизированного проектирования.

Успех системы AutoCAD в России, по видимому, можно объяснить отчасти тем, что она предоставила инструментарий САПР пользователям ПК. Прежде любое упоминание об автоматизированном проектировании обычно связывалось с более мощными платформами, к примеру VAX-станциями производства Digital.

Естественно, AutoCAD была относительно недорогой системой, хотя её функциональные возможности по сравнению с "настоящими" большими САПР оказались существенно ниже. Однако эти возможности постоянно нарастали по мере увеличения мощности ПК, а одновременно шел процесс освоения технологии САПР инженерами и конструкторами.

Распространению AutoCAD в России содействовала и маркетинговая политика компании. В то время как все известные САПР "разговаривали" только по-английски, компания Autodesk рискнула выпустить русскую версию своего продукта. Причем несмотря на то (а может быть, как раз благодаря тому), что среди отечественных пользователей ходило немало нелегальных копий продукта.

В России Autodesk начала работать с 1986 года. В августе следующего года ЦНИИ промзданий при Госстрое был признан первым официальным центром подготовки специалистов по AutoCAD.

В октябре 1988 года появилась первая коммерческая версия AutoCAD 10 на русском языке. Среди маркетинговых шагов компании было решение о продаже этого продукта по специальным ценам. Так, если оригинальный вариант системы на английском языке стоил 3000 фунтов стерлингов, то цена русскоязычной версии составляла всего 1200 фунтов. Кроме того, в соответствии со специальной программой российские вузы могли приобрести AutoCAD 10 гораздо дешевле - за 240 фунтов стерлингов.

Несмотря на то что к тому времени уже появились компьютеры на базе процессора Intel 80386 (поставки самого процессора начались в октябре 1985 года), для работы версии 10 AutoCAD было достаточно ПК, оснащенного процессором 80286 с частотой 6-10 МГц и сопроцессором 80287, оперативной памятью объемом 640 Кбайт и жестким диском емкостью 40 Мбайт.

Для работы с AutoCAD версии 10 рекомендовалось использовать графический дисплей с диагональю 20 дюймов и разрешением 1024х768, поддерживающий 256 цветов.

Первое официальное представление локализованной 10-й версии программного продукта Autodesk состо-ялось в октябре 1988 года на AutoCAD Expo. Помимо самой системы на выставке демонстрировались различные прикладные программы, расширяющие возможности AutoCAD, представленные фирмами из 22 стран.

Наличие большого числа прикладных программ для AutoCAD было обусловлено открытостью системы для

пользователя. Сама программа была написана на языке AutoLISP, этот же язык использовался как средство расширения возможностей AutoCAD и создания дополнительных приложений.

3.1 bCAD

Известно, что большинство систем проектирования на ПК запускаются как cad.exe. Аббревиатура CAD определяет сферу приложений, первые же символы определяют торговую марку разработчика. Одним словом, если есть А то должно быть и B. Действительно, bCAD задумывался, разрабатывался и развивается как доступная альтернатива для тех, кто не может или не хочет позволить себе рабочее место дизайнера, проектировщика или архитектора за несколько тысяч (тем более десятков тысяч) долларов. Уместно употребить модный термин SOHO (small office - home office) то есть, дизайнерская студия для небольшого предприятия, службы продаж, рекламы или просто домашнее рабочее место архитектора, художника или, в конце концов, студента.

bCAD разрабатывался как система для широкого спектра приложений, поэтому его функциональность достаточно универсальна. Разносторонность системы достигается тем, что пакет объединяет в себе мощные компоненты для исполнения различных этапов проектных и дизайнерских работ: разработка технической документации в её классическом виде - чертежей; построение объемных моделей различных изделий и объектов по плоским эскизам; изготовление финальных чертежей по объемным моделям; подготовка статистических данных о проекте или данных для расчетных систем; получение реалистических изображений, изготовление анимированных презентаций.

Рассмотрим функциональные компоненты более подробно.

3.1.1 Плоское черчение

Любая система проектирования включает в себя инструменты, заменяющие кульман, вопрос лишь в том, для чего это используется. В конце концов любой проект должен быть реализован в металле, дереве или пластике и не всегда (особенно в небольшом производстве) будет использоваться станок с ЧПУ, так что старый добрый чертеж еще долго будет необходим и исполнить его нужно по всем правилам.

Так как во главу угла мы ставим экономическую эффективность, следует задуматься: нет смысла автоматизировать лишь построение прямых линий и окружностей. На этапе исполнения и особенно изменения чертежа важным является ускорение и облегчение выполнения сложных и трудоемких работ: надписи, штриховки, простановка размеров, исполнение изображений стандартных и часто повторяющихся элементов. Именно этим инструментам уделялось особое внимание при разработке чертежных средств bCAD. Естественно, обычные геометрические построения не остались забытыми, каждый примитив может быть построен несколькими способами, с использованием привязок к уже существующим объектам, сетке, в произвольной системе координат, с использованием ввода точных значений с клавиатуры.

Существенным отличием этой системы от других является возможность последующего изменения любых свойств чертежных элементов цвета, типа и толщины линий, подробности построения дуг и криволинейных контуров, редактирование надписей, изменение шрифта и размеров символов, переопределение типа, шага и наклона штриховок. Все эти, прежде трудоёмкие, операции исполняются за считанные секунды. Вспомогательные данные, используемые для построения чертежа (штриховые узоры, пунктиры, шрифты), будучи однажды использованы, сохраняются, что позволяет с легкостью архивировать и переносить проекты на другие компьютеры, не заботясь о том, что необходимый для редактирования элемент будет утерян.

Немаловажно, что все чертёжные построения производятся в режиме WYSIWIG (what you see is what you get - "что видишь то и получаешь"), то есть изображение на экране максимально соответствует тому, что вы получите после вывода чертежа на плоттер или принтер. Это исключает досадные ошибки с назначением толщины и типа линий или масштаба штриховки. Наконец, интерактивный режим компоновки листа для печати, облегчает финальную стадию - получение твердой копии чертежа.

3.1.2 Объемное моделирование

Трехмерная графика долгое время оставалась запретным плодом для большинства дизайнеров, работающих на ПК. Те 3D-системы, которые были доступны, как правило, ориентированы на презентационные задачи, рекламу и достаточно простую мультипликацию. Проектировщику же нужны возможности точных построений и прецизионное моделирование расположения элементов в пространстве.

Многие пакеты САПР для ПК имеют 3D лишь в виде отдельных приложений, что часто неудобно в использовании. bCAD органически сочетает в себе возможности электронного кульмана и мастерской макетчика. Еще на этапе выполнения обычного плоского чертежа дизайнер строит (порой еще сам того не подозревая) настоящие трехмерные конструкции, вернее их остов - образующие деталей вращения, например. В дальнейшем, используя различные инструменты построения поверхностей, такой привычный плоский чертеж в считанные минуты превращается в пространственную модель детали или конструкции. При этом вам остаются доступными все средства объектной привязки, настройки системы координат, ввод точных значений с клавиатуры, относительные построения. Элементарные или часто употребляемые типы поверхностей - сферические, цилиндрические, спирали, прямоугольные блоки - могут быть построены с использованием специальных команд. Более сложные поверхности получаются с использованием различного рода протяжек контуров, оборачивания набора шаблонов и поворотов. Кроме того, bCAD содержит ряд специфических инструментов, типа построения фрактальных поверхностей (для генерации реалистичных ландшафтов) или создания объёмных текстов с использованием шрифтов TrueType. Простые объемные тела могут в свою очередь быть объединены в сложные поверхности или использованы как инструменты для вырезания или пресечения. Все объемные элементы проекта сохраняются в том же файле, что и исходные чертежные элементы. Как и чертежные данные объемные тела могут быть записаны в виде библиотек стандартных элементов и использованы в дальнейшем в других проектах. Ставшая сегодня уже традиционной система разделов или слоев (layers) позволяет легко разделить объемные и плоские данные на любом этапе работы - создании, редактировании, визуализации или получении твердых копий. Таким образом, файл проекта может содержать комплексную информацию о пространственной геометрии (в виде объёмных моделей) и проектно-технологическую документацию (в виде чертежных данных).

3.1.3 Генерация чертежей

Итак, мы получили пространственную модель детали, конструкции или, скажем, интерьера помещения. Каждый элемент этой модели точно описывает геометрию будущего изделия. Совершенно логичным было бы использовать эти данные для автоматизации построения чертежей, схем, планов расположения оборудования и расстановки мебели. bCAD предоставляет такую возможность. Достаточно выбрать вид и соответствующая проекция, в том числе и перспективная, будет построена автоматически.

В отличие от традиционного алгоритма удаления невидимых линий, который создает изображение, полное лишних отрезков, в bCAD используется оригинальная технология IntelliHIDE, которая позволяет не только избавиться от ненужных элементов изображения но и сохранит, линии невидимого контура. Полученные проекции представляют собой не что иное как обычный чертёж, который после внесения небольших изменений (простановка размеров, выбор цвета, стиля и ширины линий) может быть оформлен как самостоятельный документ либо использован как фрагмент более сложного многовидового чертежа.

3.1.4 Статистика и расчет

Проектирование далеко не всегда ограничивается построением геометрических моделей. Очень часто требуется произвести прочностные, тепловые расчёты или спланировать материальные затраты на изготовление изделия. bCAD предоставляет базовые функции статистической обработки. Подсчет количества используемых элементов и деталей производится практически парой щелчков мышью. Дело в том, что каждый элемент чертежа может иметь назначенную проектировщиком метку (label или attribute), в которую в обычном текстовом виде помещается информация об этом элементе, например: "болт М12х24" или "кресло кожаное АРТ123456".

Специальная функция bCAD позволяет затем собрать информацию о всём чертеже или его выделенной части и составляет отчёт, который можно записать в файл, напечатать или перенести в любое другое приложение - текстовый процессор, электронную таблицу, базу данных и т. п. При создании библиотек стандартных элементов такая информация является фактически обязательной для каждого элемента. В крайнем случае она состоит из его названия.

Таким образом, создав из типовых элементов сборочный чертеж, вы получаете список использованных деталей или, спроектировав оформление офиса, вы с легкостью подсчитываете затраты на мебель и элементы отделки.

Для выполнения прочностных и других технических расчетов необходимо воспользоваться соответствующим приложением. Практически все системы такого рода позволяют использовать данные о геометрии объектов, записанные в формате DXF, который поддержан в bCAD в полном объеме.

3.1.5 Получение реалистических изображений

Ряд отраслей дизайна неотделим от точного представления о том, как изделие будет выглядеть. В ряде случаев реалистическая визуализация является мощным вспомогательным средством, например, при проектировании промышленных помещений, цехов, систем трубопроводов.

В части получения реалистических изображений bCAD порой не имеет аналогов. В составе его инструментария практически все возможности, присущие многим более дорогим системам. Вы можете расставлять в пространстве точечные и направленные источники освещения, изменять их цвет и интенсивность. Система разделения проекта на разделы позволяет создавать различные схемы освещения - типовое, аварийное, дежурное. Работа с камерами (предварительно определенные точки зрения) позволяет получить вид из любой точки: обзор с рабочего места, общий вид помещения, вид с точки зрения взрослого или ребенка. Задав путь камеры, можно получить компьютерный фильм о проектируемом изделии, что не оставит равнодушным ни одного заказчика.

bCAD включает в себя редактор материалов, с помощью которого создание поверхностей со сложной фактурой не требует излишних затрат времени. Оригинальная технология SolidTexture позволяет получить текстуры типа дерева, камня или кирпичной кладки буквально одним щелчком мыши, такие текстуры очень просты в использовании и настройке. Традиционные методы наложения растровых текстур и фактур также доступны. Данные об освещении, камерах, текстурах и фактурах, также как и чертежные элементы, сохраняются в проекте и гарантированно могут быть без потерь использованы после переноса проекта на другой компьютер.

В полном комплекте системы поставляются версии тонирующего модуля для мощных рабочих станций Silicon Graphics, DEC Alpha, Hewlett Packard, Motorola PowerPC и Sun SPARC. При этом достаточно арендовать несколько часов машинного времени, так как тестовые изображения (с меньшим разрешением) можно получить на ПК, а все настройки сохраняются в файле проекта и не требуют дополнительных регулировок.

3.1.6 Пользовательский интерфейс

Приложения компьютерной графики всегда были и остаются источником новинок и технологий построения пользовательского интерфейса. Новое поколение ОС Windows позволяет использовать в bCAD все лучшее, что было наработано в этой области - повсеместное использование пиктограмм, плавающие панели инструментов, мгновенные подсказки, отсутствие ограничений на имена файлов, технологию "принеси и оставь". Для того, чтобы вставить в проект типовой элемент, достаточно буквально перенести его из папки каталога в рабочее поле программы. Доступ ко всем функциям программы возможен либо с помощью мыши, через панели пиктограмм, либо с клавиатуры через систему "горячих кнопок". Все эти, казалось бы мелочи, позволяют значительно упростить и ускорить освоение и использование пакета, тем самым существенно ускорить экономическую отдачу от его использования.

Интерактивная система помощи включает в себя электронную версию технического руководства, полностью повторяющую печатный вариант, и учебник для начинающих. Учебник состоит из логической последовательности упражнений, проводящих пользователя-новичка через основные этапы использования программы. Пользуясь уже привычной клавишей F1,вы получите подробное описание любого элемента управления системой. В целом, опыт показывает, что систему можно самостоятельно освоить полностью за одну - две недели упражнений.

Для создания наиболее комфортной обстановки bCAD выпускается как в интернациональном - английском варианте, так и в нескольких национальных версиях: русской, немецкой, итальянской и специальной английской для британцев. Национализации подвергаются все компоненты системы, начиная с меню, диалоговых окон, и, заканчивая подсказками и текстом руководства и учебника.

Есть несколько незаметных, но эффективных деталей интерфейса, например, ввод координат с клавиатуры полностью идентичен стилю, принятому в AutoCAD, так что при переходе из одной системы в другую пользователь не испытывает дискомфорта.

Подавляющее большинство функций настройки редактора доступно в любой момент, без прерывания текущей операции, достаточно лишь нажать оду из функциональных клавиш. Даже степень "назойливости" программы можно отрегулировать, выбрав соответствующий режим подтверждения - уверенный в себе пользователь не будет тратить время на бесконечное нажатие кнопки "OK".

3.1.7 Совместимость

Особым аспектом, на котором следует остановиться, является возможность использования данных из других приложений. Разработчики bCAD не стали изобретать велосипеда. На сегодняшний день очевидным стандартом на геометрические данные является DXF. Для пользователей bCAD не составит труда использовать чертежи, записанные в этом формате. Более того при переносе чертежей из AutoCAD перевод в DXF не потребуется, так как файлы DWG могут быть прочитаны напрямую. Это особенно удобно, так как большинство уже наработанных библиотек стандартных элементов записаны именно в этом формате. Те же, кто работают с реалистичной графикой, знают, что наиболее популярным форматом для текстурированных моделей является 3DS, основной формат другого популярного пакета - 3D Studio. При работе с этими данными bCAD позволяет импортировать не только геометрию объектов но и параметры материалов, текстуры, освещения и установки камер. Таким образом, часто не стоит тратить время на моделирование отдельных элементов, например, настольной лампы, необходимо лишь загрузить подходящую модель из популярной коллекции на CD. Это сэкономит часы, а порой и дни работы.

К неоспоримо полезным мелочам стоит отнести также возможность работы с библиотеками штриховых узоров, пунктиров и чертежных шрифтов для AutoCAD и возможность импорта текста из файла в чертеж.

Так же легко bCAD справляется с обратной задачей - переносом чертежей и изображений созданных в нём, в другие приложения. Традиционные чертежи могут быть перенесены с использованием формата DXF. Для пользователей 3D Studio поддержан формат ASC, а для разработчиков систем Virtual Reality - формат Sense8 NFF. Кроме того, плоские изображения могут быть записаны в HPGL и Encapsulated PostScript или превращены в растровое изображение в одном из популярных форматов GIF, TGA, BMP, JPG, TIFF или PCX. Те же растровые форматы используются для сохранения реалистических изображений. Их использование в издательских или иллюстративных пакетах не составит труда. И, нако-нец, видеоролики могут быть записаны в Windows AVI, Animator FLC или MPEG.