Автоматизированное проектирование

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема 1 ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ

1.1 Основные этапы создания изделия

1.2 Этапы решения проектных задач на компьютере

1.3 Этапы становления автоматизированных систем проектирования

1.1 Основные этапы создания изделия

Процесс создания изделия - это сложный многоэтапный процесс, включающий в себя ряд основных этапов: обоснование необходимости создания изделия; научно-технические исследования; разработка конструкторского проекта; изготовление, испытание и доводка опытных образцов изделия.

Обоснование необходимости создания изделия и научно-технические исследования часто называют этапом поискового проектирования, в результате реализации которого формируется техническое задание (ТЗ) на проектирование.

Разработка изделия может включать в себя следующие этапы: предпроектные исследования; формирование ТЗ и технического предложения; создание эскизного технического и рабочего проектов.

Предпроектные исследования включают в себя процедуры, связанные с обоснованием необходимости создания изделия, в результате выполнения которых формируется ТЗ на проектирование. На этой стадии проводится сбор и анализ данных о создаваемом изделии (патентный поиск и т.д.), ряд предварительных расчетов и т.д.

Техническое задание является исходным основополагающим документом для начала проектирования изделия. В ТЗ устанавливаются назначение изделия, технические требования к изделию, режимы и условия работы, области применения; проводится увязка параметров с типажом, анализируется информация об экспериментальных работах, проводится сравнительная оценка технического уровня и др. На основании ТЗ разрабатывается техническое предложение.

Техническое предложение представляет собой совокупность документов, отражающих технические решения, принятые в проекте.

В нем аккумулируются результаты функционально-физического и функционально-стоимостного анализов и синтеза проектируемой технической системы (ТС), содержатся указания и обоснования по выполняемым функциям, физическим принципам действий, целесообразности использования тех или иных решений, а также дается сравнительная оценка различных вариантов этих решений с учетом технических, экономических, технологических, экологических и других показателей.

На основании технического предложения разрабатываются эскизный, технический и рабочий проекты.

Эскизный проект представляет собой совокупность графической и текстовой документации, дающей общее представление об устройстве, принципе работы, назначении, основных параметрах и габаритных размерах проектируемого изделия, компоновке изделия в целом и его основных узлов.

Технический проект представляет собой более детализированную совокупность графической и текстовой документации, дающей полное и окончательное представление об устройстве изделия и всех его узлов, а также включающей в себя динамические, прочностные и другие виды расчетов.

Рабочий проект представляет собой полную детализацию создаваемого изделия, включая соответствующие расчеты для каждой входящей в него детали, подлежащей изготовлению.

Некоторые из этапов проектирования (создание эскизного или технического проекта) могут быть опущены, все зависит от сложности разрабатываемого объекта, процесса, системы. Конечной целью проектирования является создание высокоэффективных, надежных изделий, находящихся на уровне международных стандартов или его превышающих.

В силу трудоемкости выполнения большого объема проектных работ, тенденции максимального сокращения времени, затрачиваемого на весь цикл процесса создания изделия, а также неуклонного повышения требований к качеству изделия в настоящее время осуществляется постепенный переход к автоматизированному проектированию.

Этот переход связан не только и не столько с возможностями вычислительной техники, сколько с увеличением глубины наших знаний в области проектирования, эффективным применением современных математических методов, которые облегчают поиск оптимальных решений, и инженерных методов расчета. Процесс проектирования включает в себя следующие основные процедуры (рис. 1.1): анализ и моделирование изделия; структурный и параметрический синтез; оптимизация и формирование графической и текстовой документации.

Рис. 1.1 Основные процедуры проектирования

Системный анализ -- это такой способ изучения изделия, представляемого в виде ТС, при котором рассматриваются его части, называемые системами, подсистемами и элементами, в целях выяснения влияния связей элементов, подсистем и систем на свойства изделия в целом (например, изучение влияния системы управления, системы торможения, системы безопасности и других систем на свойства машины в целом).

Системный анализ предполагает автоматизацию выполнения четырех операций (фаз):

1. Обследования, заключающегося в содержательном анализе изделия и его свойств.

2. Формализации, заключающейся в создании комплекса математических (имитационных) моделей, описывающих различные режимы работы изделия.

3. Суммарной программной реализации моделей в виде совокупности программных продуктов, позволяющих осуществлять процедуры анализа и проектирования с помощью компьютера.

4. Сумма системного анализа проблемы и ее конструктивного решения, которое может представлять собой либо некоторые рекомендации, либо проект изделия.

Диакоптический анализ -- это разделение, разбиение, декомпозиция проектируемого изделия на составные части (системы, подсистемы, элементы и т. п.) для облегчения и ускорения процесса проектирования.

Корреляционнорегрессионный анализ -- это комплекс методов описания, упорядочения и оценки исходной информации об изделии и среде, в которой предстоит функционировать изделию, имеющей статистический характер.

Спектральный анализ -- это комплекс методов оценки частотных свойств, присущих изделиям и существенно влияющих на работоспособность проектируемого изделия.

Статический и динамические анализы -- это комплекс методов определения фазовых переменных (усилия, скорости и др.) соответственно в устойчивых и переходных состояниях функционирования изделия.

Инженерный анализ -- это комплекс методов исследования на пряженно- деформированного состояния моделей проектируемого изделия, получение их динамических характеристик, характеристик устойчивости при постоянных и переменных режимах внешнего нагружения изделия.

Системный синтез -- это такой способ проектирования изделия, при котором выбираются их части, называемые системами, подсистемами и элементами, с известным влиянием связей элементов, под систем и систем на свойства изделия в целом в целях создания более эффективных изделий. Системный синтез является процедурой, обратной системному анализу.

Структурный синтез -- это процесс формирования множества альтернативных структур проектируемого изделия. Под структурой понимается определенный набор взаимосвязанных систем, подсистем, элементов с их связями и отношениями.

Параметрический синтез -- это выбор совокупности независимых и управляемых параметров и их значений в процессе проектирования изделия (его систем, подсистем и отдельных элементов).

1.2 Этапы решения проектных задач на компьютере

Решение задач на компьютере -- это взаимосвязанная совокупность определенных этапов, позволяющая эффективно решать проектные задачи. Этот процесс должен обладать определенной цельностью и единообразием подхода, в противном случае неизбежны ошибки.

Синтез оптимального проектного решения предполагает наличие триады модель -- алгоритм -- программа. Все составляющие этой триады находятся в постоянном совершенствовании.

Рассмотрим кратко основные этапы решения проектных задач на компьютере.

Постановка задачи и выбор критерия оптимизации. Для постановки задачи необходимо определить совокупность:

- входных данных, описывающих условия, среду и типичные ситуации, в которых должно работать проектируемое изделие;

- входных данных, достаточных для описания всех возможных схем функционирования изделия;

- границ и режимов работы проектируемого изделия;

- ограничений, допущений, при которых будет проводиться процесс проектирования;

- выходных данных, параметров, которые необходимо получить в результате моделирования проектируемого изделия;

- других характеристик, включая показатели эффективности работы проектируемого изделия. На этом этапе формируются критерии оптимизации. При этом возможны два принципиально различных подхода к оптимизации объекта (процесса, системы): оптимизация по одному критерию и многокритериальная оптимизация.

1.3 Этапы становления автоматизированных систем проектирования

Возникновение и формирование концепции АС проектирования происходило постепенно. Вначале были автоматизированы чертежные работы, очень трудоемкая часть процесса проектирования. В результате улучшились условия труда проектировщика, увеличилось время на творческую работу, однако полной автоматизации, улучшающей процесс проектирования, не получилось. Одновременно в практику инженерных расчетов широко внедрялись компьютеры. С применением компьютеров существенно усовершенствовались процедуры проектных расчетов, свелись к минимуму возможные ошибки, повысилась общая культура проектирования, появились специализированные методы расчета, ориентированные главным образом на компьютеры (имитационное моделирование, метод конечных элементов и др.).

На следующем этапе созданы автоматизированные рабочие места (АРМ), т. е. у проектировщика появился новый инструмент, позволяющий выполнять оперативно те или иные расчеты, вести графическое представление исходной информации и результатов проектирования. Однако АРМ -- это лишь часть системы автоматизированного проектирования.

Далее появились системы проектирования, включающие в себя системы расчета и инженерного анализа -- системы CAE (Computer Aided Engineering).

В настоящее время выделяют системы функционального, конструкторского и технологического проектирования. Первые из них называют системами расчетов и инженерного анализа или системами CAE. Системы конструкторского проектирования называют системами CAD (Computer Aided Design). Проектирование технологических процессов составляет часть технологической подготовки производства и выполняется в системах CAPP (Computer Aided Process Planning).

Современные системы CAD с трехмерным моделированием и мощные системы CAE обеспечивают возможность обнаружения и устранения ошибок на ранних стадиях проектирования.

При создании САПР и их составных частей руководствуются следующими основными принципами: системного единства; совместимости; типизации; развития ГОСТ 23501.101--87.

Принцип системного единства -- это целостность системы и системной связности проектирования отдельных элементов и всего объекта проектирования в целом (иерархичность проектирования).

Системное единство САПР связано с наличием взаимосвязанных моделей, определяющих объект проектирования в целом, а также комплекса системных интерфейсов, обеспечивающих указанную взаимосвязь.

Системное единство внутри проектирующих подсистем -- это наличие единой информационной модели той части объекта, проектное решение с использованием которой должно быть получено в данной подсистеме.

Тема 2. ОСНОВЫ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Автоматическое управление

2.2 Особенности устройства и конструкции станков с числовым программным обеспечением

2.3 Функциональные составляющие (подсистемы) ЧПУ

2.1 Автоматическое управление

На сегодняшний день практически каждое предприятие, занимающееся механической обработкой, имеет в своем распоряжении станки с числовым программным управлением (ЧПУ). Станки с ЧПУ выполняют все те же функции, что и обычные станки с ручным управлением, однако перемещения исполнительных органов этих станков управляются электроникой. В чем же основное преимущество станков с ЧПУ и почему все большее число заводов предпочитает вкладывать деньги именно в современное оборудование с автоматическим управлением, а не покупать относительно дешевые универсальные станки?

Первым очевидным плюсом от использования станков с ЧПУ является более высокий уровень автоматизации производства. Случаи вмешательства оператора станка в процесс изготовления детали сведены к минимуму. Станки с ЧПУ могут работать практически автономно, день за днем, неделю за неделей, выпуская продукцию с неизменно высоким качеством. При этом. главной заботой станочника-оператора являются в основном подготовительно-заключительные операции: установка и снятие детали, наладка инструмента и т.д. В результате один работник может обслуживать сразу несколько станков.

Вторым преимуществом является производственная гибкость. Это значит, что для обработки разных деталей нужно всего лишь заменить программу. А уже проверенная и отработанная программа может быть использована в любой момент и любое число раз.

Третьим плюсом является высокая томность и повторяемость обработки. По одной и той же программе вы сможете изготовить с требуемым качеством тысячи практически идентичных деталей. Ну и наконец, числовое программное управление позволяет обрабатывать такие детали, которые не возможно изготовить на обычном оборудовании. Это детали со сложной пространственной формой, например, штампы и пресс-формы.

Стоит отметить, что сама методика работы по программе позволяет более точно предсказывать время обработки некоторой партии деталей и соответственно более полно загружать оборудование.

Станки с ЧПУ стоят достаточно дорого и требуют больших затрат на установку и обслуживание, чем обычные станки. Тем не менее, их высокая производительность легко может перекрыть все затраты при грамотном использовании и соответствующих объемах производства.

Числовое программное управление - это автоматическое управление станком при помощи компьютера (который находится внутри станка) и программы обработки (управляющей программы). До изобретения ЧПУ управление станком осуществлялось вручную или механически.

Осевыми перемещениями станка с ЧПУ руководит компьютер, который читает управляющую программу (УП) и выдает команды соответствующим двигателям. Двигатели заставляют перемещаться исполнительные органы станка - рабочий стол или колонну со шпинделем. В результате производится механическая обработка детали. Датчики, установленные на направляющих, посылают информацию о фактической позиции исполнительного органа обратно в компьютер. Это называется обратной связью. Как только компьютер узнает о том, что исполнительный орган станка находится в требуемой позиции, он выполняет следующее перемещение. Такой процесс продолжается пока чтение управляющей программы не подойдет к концу.

2.2 Особенности устройства и конструкции станков с числовым программным обеспечением

Фрезерные станки с ЧПУ можно классифицировать по различным признакам: по положению шпинделя (вертикальные или горизонтальные), по количеству управляемых осей или степеней свободы (2, 3, 4 или 5 осей), по точности позиционирования и повторяемости обработки, по количеству используемого инструмента (одно- или многоинструментальные) и т д.

Рассмотрим общую конструкцию вертикально-фрезерного станка с ЧПУ, который является наиболее универсальным и востребованным для любого типа производства. Станина предназначена для крепления всех узлов и механизмов станка. Рабочий стол может перемещаться в продольном (влево/вправо) и поперечном (вперед/назад) направлениях по направляющим. На рабочем столе закрепляют заготовки и различные технологические приспособления. Для этого на столе имеются специальные Т-образные пазы. Шпиндель предназначен для зажима режущего инструмента и придания ему вращения. Шпиндель закреплен на колонне, которая может перемещаться в вертикальном направлении (вверх/вниз). От точности вращения шпинделя, его жесткости и виброустойчивости в значительной мере зависят точность и качество обработки. Таким образом, рассматриваемый станок является 3-х осевым.

Защитные кожухи необходимы для обеспечения безопасности. Они защищают оператора станка от летящей стружки и смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ), которая подается в зону обработки под давлением. Дверца обеспечивает доступ в рабочую зону станка. В магазине инструментов барабанного типа находится набор режущих инструментов. При этом взятие необходимого инструмента и фиксация его в шпинделе обеспечивается устройством автоматической смены инструмента и производится по определенной команде управляющей программы.

2.3 Функциональные составляющие (подсистемы) ЧПУ

Для того чтобы сделать из обычного станка с ручным управлением станок с ЧПУ необходимо внедрить определенные компоненты в его конструкцию. Не достаточно просто подключить станок к компьютеру, чтобы он работал по программе - необходимо модернизировать механическую и электронную "начинку" станка. Давайте посмотрим, как устроена система ЧПУ (СЧПУ) на большинстве современных станков.

Условно СЧПУ можно разделить на три подсистемы: 1) подсистему управления; 2) подсистему приводов; 3) подсистему обратной связи.

1. Подсистема управления. Центральной частью всей СЧПУ является подсистема управления. С одной стороны она читает управляющую программу и отдает команды различным агрегатам станка на выполнение тех или иных операций. С другой стороны взаимодействует с человеком, позволяя оператору станка контролировать процесс обработки.

Сердцем подсистемы управления является контроллер (процессор), который обычно расположен в корпусе стойки ЧПУ. Сама стойка имеет набор кнопок и экран (все вместе называется пользовательским интерфейсом) для ввода и вывода необходимой информации.

Системы управления могут быть как закрытыми, так и открытыми, ПК - совместимыми. Закрытые системы управления имеют собственные алгоритмы и циклы работы, собственную логику. Производители таких систем, как правило, не распространяют информацию об их архитектуре. Скорее всего, вы не сможете самостоятельно обновить программное обеспечение и редактировать настройки такой системы. У систем закрытого типа есть важное преимущество - они, как правило, имеют высокую надежность, так как все компоненты системы прошли тестирование на совместимость.

2. Подсистема приводов включает в себя различные двигатели и винтовые передачи для окончательного выполнения команд подсистемы управления - для реализации перемещения исполнительных органов станка.

Важными компонентами подсистемы приводов являются высокоточные ходовые винты.

Усовершенствованный ходовой винт станка с ЧПУ позволяет выполнять перемещение исполнительного органа с минимальным трением и практически без люфтов. Устранение люфта очень важно по двум причинам. Во-первых, это необходимо для обеспечения сверхточного позиционирования. Во-вторых, только при соблюдении этого условия возможно нормальное попутное фрезерование.

Второй составляющей подсистемы является двигатель (а точнее - несколько двигателей). Вращение вала двигателя приводит к повороту высокоточного ходового винта и линейному перемещению рабочего стола или колонны. В конструкции станков используются шаговые электродвигатели и серводвигатели.

Шаговый электродвигатель - это электромеханическое устройство, преобразующее электрический сигнал управления в дискретное механическое перемещение. Существует несколько основных видов шаговых двигателей, отличающихся конструктивным исполнением:

1) шаговые двигатели с переменным магнитным сопротивлением;

2) шаговые двигатели с постоянным магнитным сопротивлением;

3) гибридные двигатели.

Принцип работы у всех этих двигателей примерно одинаков и достаточно прост.

Большинство современных шаговых электродвигателей являются гибридными, то есть сочетают достоинства двигателей с переменным магнитным полем и двигателей с постоянными магнитами, имеют гораздо большее число полюсов статора и зубьев ротора, что обеспечивает меньший шаг вращения.

Когда подсистема управления посылает шаговому двигателю электрический импульс, то происходит поворот на определенный угол, который зависит от конструкции двигателя (например, 0.7 град.). Если ходовой винт имеет шаг 1 мм, то один импульс заставит исполнительный орган станка линейно переместиться на 0.7/360 X 1=0.0019 мм. Эта величина называется разрешением системы или ценой импульса. Нельзя переместить исполнительный орган на величину меньшую, чем разрешение системы. Таким образом, вы видите, что существует прямая взаимосвязь между двигателем, ходовым винтом и точностью перемещений станка.

3. Подсистема обратной связи (рис. 2.1) главным образом призвана обеспечивать подсистему управления информацией о реальной позиции исполнительного органа станка и о скорости двигателей. Подсистема обратной связи может быть открытого или замкнутого типа.

Системы открытого типа регистрируют наличие или отсутствие сигнала из подсистемы управления. К сожалению, они не могут дать информации о реальной позиции исполнительного органа и скорости двигателей, поэтому в современных станках с ЧПУ практически не используются.

Системы замкнутого типа используют внешние датчики для проверки необходимых параметров.

Рис. 2.1 Схема обратной связи на станке с ЧПУ

Как правило, в станках с ЧПУ для определения положения и состояния исполнительных органов используются два типа датчиков: линейные датчики положения и вращающиеся датчики положения.

Вращающийся датчик положения крепится на валу двигателя и позволяет определять его угловое положение. Этот датчик состоит из источника света, оптического датчика (приемника) и диска с маленькими радиальными прорезями (растрами). Растровый диск укреплен на валу, источник света и оптический датчик находятся с разных сторон от диска.

Все вращающиеся датчики имеют один существенный недостаток. Так как они устанавливаются непосредственно на валу двигателя, то не могут напрямую измерить линейное положение исполнительного органа станка. Они дают рассчитанное положение, основанное на данных о шаге ходового винта, и в высокоточных станках для определения линейного положения не применяются. Их можно использовать в конструкции шпинделя для определения числа оборотов при вращении и для нахождения его углового положения.

Линейные датчики положения используются практически во всех современных станках с ЧПУ для точного определения абсолютной или относительной позиции исполнительных органов. Датчики содержат два взаимосвязанных узла, растровую шкалу и считывающую головку. Растровая шкала, расположенная вдоль направляющих, представляет собой линейку с маленькими прямоугольными прорезями (растрами). Считывающая головка, перемещающаяся вместе с исполнительным органом станка, состоит из осветителей, фотоприемников и индикаторной пластины. Причем осветители и индикаторная пластина находятся с одной стороны от растровой шкалы, а фотоприемники с другой.

На индикаторной пластине так же присутствует два растровых участка со смещенным шагом для формирования двух сигналов. Когда считывающая головка перемещается вдоль растровой шкалы, то световые сигналы от осветителей проходят через индикаторную пластину, затем через шкалу и регистрируются фотоприемниками. Полученные сигналы дают возможность определить величину и направление перемещения.

Тема 3. ВВЕДЕНИЕ В ПРОГРАММИРОВАНИЕ ОБРАБОТКИ

3.1 Прямоугольная система координат

3.2 Написание простой управляющей программы

3.3 Создание УП на персональном компьютере

3.4 Передача управляющей программы на станок

3.5 Проверка управляющей программы на станке

3.1 Прямоугольная система координат

Прежде чем приступить к созданию первой управляющей программы мы должны вспомнить, что такое прямоугольная система координат. Ведь именно прямоугольная система координат служит математической базой программирования обработки. Более 300 лет назад французский математик Декарт придумал систему, которая позволяет человеку описать положение любой точки в пространстве. В простейшем случае прямоугольная система координат представляет собой две пересекающиеся под прямым углом линии. Эти линии называются осями, а точка их пересечения является началом координат.

Оси обозначаются буквами X и Y. Координатная система с двумя осями X и Y позволяет описать положение точки на плоскости. Расстояние от начала координат до точки А вдоль оси X, является (х) координатой этой точки. Расстояние от начала координат до точки А вдоль оси Y, является (у) координатой этой точки. Координаты точки принято указывать в скобках.

Сначала пишется координата по оси X, а затем по оси Y.

У каждой оси есть положительное и отрицательное направление. Когда координата имеет отрицательное значение, то это означает, что точка лежит либо левее начала координат, либо ниже. Например, точка В имеет следующие координаты: х= -2, у= -5. Если точка лежит на какой-либо оси, то одна из ее координат обязательно равна нулю.

Пересечение трех взаимно перпендикулярных плоскостей образует трехмерную систему координат, которая используется для описания положения точки в пространстве. К двум имеющимся осям X и Y добавляется третья ось Z. Координаты точки также указываются в скобках и идут в алфавитном порядке (x;y;z).

3.2 Написание простой управляющей программы

Детали, обрабатываемые на станке с ЧПУ можно рассматривать как геометрические объекты. Во время обработки вращающийся инструмент и заготовка перемещаются относительно друг друга по некоторой траектории. УП описывает движение определенной точки инструмента - его центра. Траекторию инструмента представляют состоящей из отдельных, переходящих друг в друга участков. Этими участками могут быть прямые линии, дуги окружностей, кривые второго или высших порядков. Точки пересечения этих участков называются опорными или узловыми точками. Как правило, в УП содержатся координаты именно опорных точек.

Попробуем написать небольшую программу для обработки паза Зная координаты опорных точек сделать это будет не трудно. Мы не будем подробно рассматривать код всей УП, а обратим особое внимание на написание строк (кадров УП), непосредственно отвечающих за перемещение через опорные точки паза. Для обработки паза сначала нужно переместить фрезу в точку Т1 и опустить ее на соответствующую глубину Далее необходимо переместить фрезу последовательно через все опорные точки и вывести инструмент вверх из материала заготовки. Найдем координаты всех опорных точек паза и для удобства поместим их в таблицу.