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

Д

анные

Д

анные

N

Д

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.

д

анными

Д

анные

N1

Д

анные

Д

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.

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.

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. 1). В первой определяются наиболее рациональные форма, припуски, допуски и межоперационные размеры изделия, поступившего на операцию, т. е. состояние .

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.

Рис. 1. Общий алгоритм проектирования операционной технологии

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.

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

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; этот фонд дополняют в процессе функционирования САПР.

Контрольные вопросы и упражнения

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

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).

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 ) конкретного варианта было минимальным.

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.

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

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.

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 .

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.

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 .

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. 12.2).

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 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; этот фонд дополняют в процессе функционирования САПР .

Контрольные вопросы и упражнения

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

Первым этапом проектирования ТП является разработка предварительного проекта, вторым - разработка рабочей технологической документации на стадии опытного образца (партии), установочной серии, установившегося серийного или массового производства.

Предварительный проект предназначен для отработки и проверки технологичности конструкции изделия на стадиях эскизного и технического проектов разработки конструкторской документации, для подготовки и разработки рабочей документации.

Под рабочей технологической документацией подразумевается совокупность технологических документов (карт, инструкций, ведомостей), которые содержат все данные, необходимые для изготовления и контроля изделия.

Технологические процессы разделяются на следующие виды:

· Проектный ТП, выполняемый по предварительному проекту технологической документации.

· Рабочий ТП, выполняемый по рабочей технологической и конструкторской документациям.

· Единичный ТП, относящийся к изделиям одного наименования, типоразмера и исполнения, независимо от типа производства.

· Типовой ТП, который характеризуется единством содержания и последовательности большинства технологических операций и переходов для группы изделий с общими конструктивными признаками.

· Стандартный ТП - технологический процесс, установленный стандартом.

· Временный ТП, применяемый на предприятии в течение ограниченного периода времени из-за отсутствия надлежащего оборудования или в связи с аварией до замены на более современный.

· Перспективный ТП, соответствующий современным достижениям науки и техники, методы и средства осуществления которого полностью или частично предстоит освоить на предприятии.

· Маршрутный

· Операционный ТП, выполняемый по документации, в которой содержание операций излагается с указанием переходов и режимов обработки.

· Маршрутно-операционный ТП, выполняемый по документации, в которой содержание операций излагается без указания переходов и режимов обработки.

· Групповой ТП, который разрабатывается не на одну деталь, а на группу деталей, сходных по технологическим признакам.

Комплекс работ по проектированию технологических процессов

Технологические процессы разрабатываются для изделий, конструкция которых отработана на технологичность и включает комплекс взаимосвязанных работ, к которым относятся:

· выбор заготовок;

· выбор технологических баз;

· подбор типового технологического процесса;

· определение последовательности и содержания технологических операций;

· определение, выбор и заказ новых средств технологического оснащения (в том числе средств контроля и испытания);

· назначение и расчет режимов обработки;

· нормирование процесса;

· выбор средств механизации и автоматизации элементов технологических процессов и внутрицеховых средств транспортирования и другие.

При разработке ТП используются классификаторы технологических операций, системы обозначения, типовые технологические процессы, стандарты, каталоги, справочники и «Единая система технологической документации (ЕСТД)».

При разработке типовых технологических процессов необходимо учитывать конкретные производственные условия типового представителя группы изделий, обладающих общими конструктивно-технологическими признаками.

К типовому представителю группы изделия обычно относится такое изделие, изготовление которого требует наибольшего количества основных и вспомогательных операций, характерных для изделий, входящих в эту группу.

Необходимость разработки типовых технологических процессов определяется экономической целесообразностью, связанной с частотой применения изделия группы.

Типизация осуществляется в двух направлениях:

· типизация комплексных технологических процессов изготовления однотипных изделий;

· типизация и стандартизация отдельных операций обработки различных изделий.

Типовые технологические процессы могут быть оперативными и перспективными.

Типовые технологические процессы и стандарты на технологические операции являются информационной основой при разработке рабочего технологического процесса.

Виды технологических документов

Разработанные технологические процессы оформляются в виде технологических документов следующих видов, предусмотренных Государственным стандартом ЕСТД.

1. Маршрутная карта (МК) содержит описание технологического процесса изготовления или ремонта изделия (включая контроль и перемещения) по всем операциям различных видов и технологической последовательности с указанием данных об оборудовании, оснастке, материальных и трудовых нормативах в соответствии с установленными формами. Маршрутная карта является обязательным документом. Эту карту допускается разрабатывать на отдельные виды работ.

2. Карта эскизов (КЭ) содержит эскизы, схемы и таблицы, необходимые для выполнения технологического процесса, операции или перехода изготовления или ремонта изделия.

3. Технологическая инструкция (ТИ) содержит описание приемов работы или технологических процессов изготовления или ремонта изделия, правил эксплуатации средств технологического оснащения, описания физических и химических явлений, возникающих при отдельных операциях.

4. Комплектовочная карта (КК) содержит данные о деталях, сборочных единицах и материалах, входящих в комплект собираемого изделия.

5. Ведомость расцеховки (ВР) содержит данные о маршруте прохождения изготовленного (ремонтированного) изделия по службам предприятия.

6. Ведомость оснастки (ВО) содержит перечень технологической оснастки, необходимой для выполнения данного технологического процесса или операции.

7. Ведомость материалов (ВМ) содержит данные о заготовках, нормах расхода материала, маршруте прохождения изготавливаемого изделия и его составных частей.

8. Ведомость сборочных единиц к типовому технологическому процессу (ВТП) содержит перечень сборочных единиц. Эти единицы изготавливаются по типовому технологическому процессу (операции) с указанием соответствующих данных о трудозатратах и при необходимости - о материалах, технологической оснастке и режимах.

9. Карта технологического процесса (КТП) содержит описание технологического процесса изготовления или ремонта изделия (включая контроль и перемещения) по всем операциям, выполняемым в одном цехе в технологической последовательности, с указанием данных о средствах технологического оснащения, материальных и трудовых нормативах.

Для отдельных видов работ, связанных технологическим маршрутом изготовления изделий с другими видами работ, допускается разрабатывать КТП с указанием всех видов работ, выполняемых в разных цехах. При этом если КТП охватывает весь маршрут изготовления данного изделия, то она заменяет МК, и последняя не разрабатывается.

10. Карта типового технологического процесса (КТТП) содержит описание типового технологического процесса изготовления и ремонта группы сборочных единиц в технологической последовательности с указанием операций и переходов и соответствующих данных о средствах технологического оснащения и материальных нормативах.

11. Операционная карта (ОК) содержит описание технологической операции с указанием переходов, режимов обработки и данных о средствах технологического оснащения.

12. Операционная карта типовая (ОКТ) содержит описание типовой технологической операции с указанием переходов, данных о технологическом оборудовании и, при необходимости, о технологической оснастке и режимах обработки.

13. Ведомость операций (ВОП) содержит перечень и описание всех операций технологического контроля, выполняемых в одном цехе, с указанием данных об оборудовании, оснастке и требований к контролируемым параметрам.

Основные документы АСТПП

Основными документами являются:

· МК - маршрутная карта;

· КТП - карта технологического процесса;

· ВТП - ведомость сборочных единиц к типовому технологическому процессу.

Основной документ в отдельности или в совокупности с другими документами, записанными в нем, полностью и однозначно определяет технологический процесс изготовления изделия по всем или отдельным видам работ. Формы документов общего и специального назначения установлены ЕСТД.

Построение схемы технологического процесса

На этом этапе формулируются задачи, стадии и исходные данные для проектирования принципиальной схемы технологического процесса. Проводится классификация методов автоматизированного проектирования ТП и разрабатывается модель многоуровневого процесса проектирования с выбором рациональных решений. Рассматриваются итерационный алгоритм процесса проектирования на каждом уровне и алгоритм формирования принципиальной схемы ТП.

Цель проектирования технологических процессов - дать подробное описание операций изготовления изделия с необходимыми технико-экономическими расчетами и обоснованиями принятого варианта. Эта основная проблема проектировщика дополняется последующей задачей внедрения спроектированного ТП на предприятии. В результате составления технологической документации инженерно-технический персонал и рабочие-исполнители получают необходимые данные и инструкции для осуществления спроектированного ТП в конкретных производственных условиях.

Проектирование ТП начинается с анализа технического задания (ТЗ) на проектирование, включающего следующие элементы: рабочий чертеж изделия с техническими условиями или сборочный чертеж узла с условиями приемки, программу выпуска и другие требования.

Варианты структуры ТП генерируются, а затем оцениваются с позиций условий работоспособности (например, обеспечение заданных параметров, качества изделия). Для каждого варианта структуры предусматривается оптимизация параметров, так как оценка должна выполняться при оптимальных или близких к оптимальным значениях параметров. Если для некоторого варианта структуры ТП, операции или перехода достигнуто обеспечение заданных параметров качества изделия, то процесс синтеза считается законченным.

Результаты проектирования оформляются в виде необходимой технологической документации с формированием ТЗ на следующий уровень проектирования. Для каждого варианта структуры составляется модель ТП или его элементов. При автоматизированном проектировании эта модель является математической, она должна быть адекватна объекту в отношении его основных свойств. Анализом модели проверяется выполнение условий работоспособности (например, получение максимальной производительности при обеспечении параметров качества изделия) и принятие решения. По результатам проверки проводится параметрическая оптимизация.

Если условия работоспособности не выполняются, то управляемые параметры снова изменяют, и математическая модель анализируется при новых их значениях. В случае повторного невыполнения условий работоспособности переходят к генерации нового варианта структуры или к пересмотру ТЗ.

В целом функциональная структура принципиальной схемы процесса характеризуется последовательностью преобразований изготавливаемого изделия из начального состояния на заготовительном этапе в состояния С 1 , С 2 , С n на промежуточных и окончательном этапах. Это преобразование осуществляется по уровням. Процесс проектирования на каждом уровне представляет собой многовариантную процедуру. На основе одного проектного варианта (k -1)- го уровня формируется множество более детальных вариантов k -го уровня.

В результате проектирования на всех уровнях образуется дерево допустимых вариантов технологического процесса, отвечающих заданным техническим ограничениям. Вершинам дерева соответствуют операции синтеза проектных решений, а дугам - полученные варианты этих решений. Дуги дерева последнего уровня характеризуют проектные варианты заданной степени детализации. Для решения задач многоуровневой оптимизации на i -м уровне проектирования получают, следовательно, не единственный оптимальный вариант, а группу вариантов, близких к оптимальному. Среди этих параметров выбирают решение на (i +1)-м уровне проектирования.

На рисунке показана модель многоуровневого процесса проектирования с выбором наиболее рационального решения на последнем уровне: Т З - техническое задание; С ii - операции синтеза проектных решений; R q{k} - проектные варианты

При генерации структуры технологического процесса используются различные методы: проектирование на основе типизации и групповой технологии; преобразование процессов-аналогов; многоуровневый итерационный метод; аксиоматический метод и др.

Проектирование конкретных технологических процессов путем параметрической настройки типового процесса включает в себя две группы проектных операций: поиск в технологическом банке данных требуемого типового процесса и расчет параметров каждой операции (определение норм времени, материальных и трудовых нормативов). Этот метод применяется для типовых изделий. Алгоритмы преобразования процесса-аналога не содержат в готовом виде логические условия выбора операций и переходов. Эти условия определяются в результате анализа изделия и ТП-аналога. После того, как в технологическом банке данных найдены изделия и ТП-аналоги (И, ТН) ан , проектирование заключается в том, чтобы на основе информационной модели C k конкретного изделия определить рациональную структуру и параметры процесса его изготовления:

W: {C k (И, ТН) ан } ,

где W - операции преобразования процесса-аналога.

Преобразование осуществляется методами исключения и дополнения структурных элементов в процессы-аналоги на основе выявления различий между конкретными изделиями и изделиями-аналогами.

Метод исключения структурных элементов основан на том, что из графа S а (C , A ) , описывающего структуру процесса-аналога, исключаются некоторые пути или дуги
{C q -1 ,А q ,C q } , соответствующие операциям или переходам обработки отсутствующих у конкретного изделия поверхностей или поверхностей более высокой точности.

Структура конкретного процесса образуется в результате применения разности графов

S k (C 1 ,A 1) = S a (C ,A )\ {C q-1 ,А q ,C q },

где C 1 =C \{C q } - множество промежуточных состояний, необходимых для изготовления конкретного изделия; A 1 =A \{A q } - множество технологических операций, необходимых для изготовления конкретного изделия.

В результате применения такой операции структура конкретного процесса получается более простой, чем аналога. Преобразование процесса-аналога методом исключения структурных элементов осуществляется установлением технологического подобия состояний изделия-аналога со структурой и параметрами конкретного изделия. Для этого в графе функциональной структуры технологического процесса-аналога выделяются висячие вершины, соответствующие конечным состояниям групп обрабатываемых поверхностей. Если C a ~C k , то операция A включается в маршрут обработки конкретного изделия; в противном случае она исключается из маршрута-аналога.

Метод дополнения структурных элементов базируется на присоединении к графу структуры процесса-аналога S a (S ,A ) множества дуг {C r -1 ,A r ,C r } , соответствующих вновь вводимым операциям и переходам по обработке поверхностей конкретного изделия, которые отсутствуют в изделиях-аналогах или имеют более низкую точность. Структура конкретного процесса получается более сложной и образуется в результате операции объединения графов

S k (C 1 ,A 1) = S a (C ,A )U {C r-1 ,A r ,C r } ,

где C 1 = C U C r ; A 1 = A U A r .

В ряде случаев возникают задачи проектирования, когда преобразование процессов-аналогов производится теми и другими методами

S k (C 1 ,A 1) = S a (C ,A ) \ {C q-1 ,А q ,C q } U {C r-1 ,A r ,C r }

Преобразование процесса-аналога методом дополнения структурных элементов (операций, переходов) заключается в определении вида и количества этих элементов и рациональном их расположении.

Принцип многоуровневой декомпозиции

Одним из наиболее общих способов преодоления начальной неопределенности задачи технологического проектирования является многоуровневый итерационный метод. Сущность его раскрывается совокупностью принципов и утверждений, определяющих характер и структуру процессов проектирования.

Проектирование дискретных ТП и сложных объектов расчленяется на несколько взаимосвязанных уровней, характеризующихся последовательно возрастающей от уровня к уровню степенью детализации проектных решений.

Основу принципа многоуровневой декомпозиции составляют следующие утверждения:

1. Проектирование ТП изготовления изделий можно разделить на 4 уровня:

· принципиальная схема процесса;

· маршрутная технология;

· операционная технология;

· управляющие программы.

Первому уровню свойственны наибольшая степень абстракции и определение только принципиальных особенностей структуры и функции ТП. От уровня к уровню степень детализации проектных решений возрастает. На последнем уровне она доводится до инструкций и команд управления оборудованием.

2 . Многоуровневый процесс проектирования развивается сверху вниз, т.е. от синтеза общих принципиальных моделей на первом уровне к проектным решениям требуемой степени детализации на следующих уровнях. При этом решения, полученные на предыдущем (k -1)-м уровне, используются в качестве дополнительных исходных данных для проектирования на k -м уровне. Так, сведения о принципиальной схеме ТП, полученные на первом уровне, служат для синтеза маршрута на втором уровне. Разработка операционных технологий на третьем уровне производится на основе сведений о технологическом маршруте, а для синтеза управляющих программ применяются сведения об операционной технологии.

3 . На всех уровнях, кроме последнего, ввиду недостаточной детализации проектных решений, критерии отбора вариантов носят обобщенный, эвристический характер. Они постепенно уточняются при переходе от уровня к уровню, достигая необходимой точности на последнем уровне проектирования

Так, на первом уровне невозможно формировать критерий, позволяющий выбрать один оптимальный вариант принципиальной схемы ТП. Причина в том, что представление о проектируемом процессе носит сугубо принципиальный характер и на следующих уровнях, как правило, уточняется.

4 . На начальном и промежуточных уровнях проектирования, в связи с эвристическим характером критериев, из множества синтезированных вариантов отбирается не одно, а несколько (два-три) наиболее рациональных решений. Окончательный вариант ТП, соответствующий экстремальным значениям точного критерия, определяется только на последнем уровне.

5 . Проектирование на каждом уровне расчленяется на совокупность следующих проектных операций, итерационно взаимосвязанных между собой:

Итерационный алгоритм процесса проектирования можно представить следующим образом

Здесь П - поиск решений-аналогов, Н -преобразование процессов-аналогов, С - синтез различных вариантов технологии, М - имитационное моделирование процесса обработки, А - анализ результатов моделирования, Е - оценка результатов моделирования, Q - оптимизация, W - отбор наиболее рациональных вариантов.

Процесс проектирования начинается с операции поиска изделий и ТП-аналогов в массиве технологического банка данных. Если такие процессы найдены, то логическим блоком Р 2 управление передается операции преобразования процесса-аналога Н 3 , если же не найдены - операции синтеза С 4 . В этом блоке централизованным способом синтезируется некоторое количество вариантов ТП, удовлетворяющих заданным техническим требованиям и ограничениям. Операция имитационного моделирования позволяет, например, прогнозировать характер обработки поверхности, возникающие при этом погрешности и значения технико-экономических параметров. С помощью операции "анализ" устанавливаются причины возникновения тех или иных отклонений и заниженных значений отдельных локальных критериев. Анализ проводится по всем технико-экономическим показателям.

Операцией «оценка» проверяется степень выполнения заданных технических требований. На основе выявленных локальных критериев определяется интегральный критерий качества того или иного варианта, устанавливается необходимость получения тех или иных его показателей. Операцией «оптимизация» производится выбор направления улучшения проектного варианта в соответствии с моделью, характеризующей взаимосвязь локальных критериев. В результате проведенных преобразований исходного варианта возникает новый улучшенный вариант. Сведения о нем вновь поступают в блоки моделирования, анализа, оценки и оптимизации. Совокупность указанных операций образует итерационный цикл процесса проектирования.

За несколько итераций качество исходного варианта улучшается. Процесс заканчивается, когда вариант по всем основным показателям удовлетворяет заданным требованиям и дальнейшее его совершенствование не приводит к существенному улучшению интегрального критерия. С помощью блока Р 8 осуществляется циклическое повторение операций моделирования, оценки, анализа и оптимизации для всех вариантов, полученных в операциях поиска и синтеза. В результате для операции "выбор" подготавливается множество целесообразных вариантов, из которых затем отбираются наиболее рациональные.

В приведенной модели совокупность проектных операций и управляющих блоков определяет два метода проектирования: преобразование объектов аналога и синтеза.

Различаются методы операциями генерирования проектных вариантов. В первом методе это поиск объектов-аналогов и их преобразование, а во втором - целенаправленный синтез проектных решений. Остальные операции итерационного цикла и выбора вариантов являются общими для обоих методов проектирования.

Как показывает опыт разработки и внедрения, указанные методы широко применяются в САПР TП. По своим возможностям они не противоречат, а дополняют друг друга.

Программы, построенные на основе методов типизации, характеризуются меньшими (на 30-40%) объемом и затратами машинного времени по сравнению с многоуровневым итерационным методом. В связи с этим автоматизацию проектирования ТП на типовых изделиях целесообразно осуществлять на основе методов типизации, а на остальные изделия - преобразованием процессов-аналогов и многоуровневым итерационным методом.

Итак, весь ТП изготовления прибора рассматривается как последовательность взаимосвязанных технологических операций. Например, при изготовлении p - n - р транзистора с эпитаксиальной базой основными операциями являются такие как диффузия и окисление, формирование базы и эмиттера. Каждая операция характеризуется совокупностью входных и выходных параметров, которые, в свою очередь, являются исходными данными для расчетов на ЭВМ по выбранным математическим моделям.

Так, в блоке диффузии и окисления имеется пульт управления процессом диффузии, с помощью которого устанавливают параметры процесса обработки пластин, выбирают режим печи, длительность технологического цикла, а также корректируют характеристики процесса в случае их отклонения от заданных величин. На выходе из печи специальный прибор измеряет параметры пластин, данные передаются на пульт управления, который сравнивает измеренные параметры с заданными и регулирует соответствующим образом параметры процесса диффузии, основным из которых является, например, толщина окисла.