Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ методов автоматизации проектирования гидроцилиндров 15
1.1. Общая характеристика гидроцилиндров 15
1.2. Анализ существующих подходов к автоматизации проектирования гидроцилиндров 19
1.3. Автоматизация проектирования гидроцилиндров в условиях применения интегрированных САПР 28
1.4. Анализ методов параметризации технических объектов проектирования 30
1.5. Обоснование выбора интегрированной САПР для автоматизации проектирования 34
1.6. Постановка цели и задач исследования 39
1.7. Выводы к первой главе 40
ГЛАВА 2. Формализация метода выбора конструкции гидроцилиндра 41
2.1. Разработка концепции метода поискового конструирования гидроцилиндров 41
2.2. Критерии выбора параметров гидроцилиндра 45
2.3. Определение исходного набора альтернативных вариантов узлов гидроцилиндра 60
2.4 Формирование множества допустимых альтернатив конструкций узлов гидроцилиндра 68
2.5. Методика многокритериального оценивания альтернативных вариантов конструкций основных узлов гидроцилиндра 69
2.6. Выводы ко второй главе 76
ГЛАВА 3. Разработка алгоритмов и методики автоматизированного проектирования гидроцилиндров с учетом условий эксплуатации 77
3.1. Анализ методов, используемых при автоматизации проектирования гидроцилиндров 77
3.2. Построение общей методики автоматизированного проектирования гидроцилиндров 79
3.3. Алгоритмизация процедуры ввода исходных данных 90
3.4. Методика автоматизированного расчета конструктивных параметров гидроцилиндра 92
3.5 Алгоритмизация процедур построения трехмерных моделей 104
3.6. Выводы к третьей главе 108
ГЛАВА 4. Разработка автоматизированной системы параметрического проектирования гидроцилиндров 109
4.1. Выбор средств разработки автоматизированной системы проектирования гидроцилиндров 109
4.2. Обоснование используемого программного обеспечения системы автоматизированного проектирования гидроцилиндров 111
4.3. Разработка структурно-функциональной схемы автоматизированной системы параметрического проектирования гидроцилиндров 114
4.4. Информационное обеспечение автоматизированной системы параметрического проектирования гидроцилиндров 135
4.4.1. Информационное обеспечение библиотеки уплотнительных элементов 136
4.4.2. Информационное обеспечение подсистемы расчета конструктивных параметров гидроцилиндра 141
4.4.3. Информационное обеспечение подсистемы построения твердотельных моделей деталей гидроцилиндра 142
4.5. Выводы к четвертой главе 144
ГЛАВА 5. Применение разработанной автоматизированной системы проектирования гидроцилиндров 146
5.1. Краткое описание программного комплекса 146
5.2. Практическая реализация автоматизированной системы проектирования 148
5.3. Оценка технико-экономической эффективности от использования автоматизированной системы проектирования гидроцилиндров 163
5.4. Выводы к пятой главе 169
Заключение 171
Список литературы
- Анализ существующих подходов к автоматизации проектирования гидроцилиндров
- Разработка концепции метода поискового конструирования гидроцилиндров
- Анализ методов, используемых при автоматизации проектирования гидроцилиндров
- Выбор средств разработки автоматизированной системы проектирования гидроцилиндров
Введение к работе
Диапазон использования гидравлических машин и механизмов в современной технике очень широк: от стыковочных узлов сложных технических комплексов до простых гидравлических подъемников. Главным рабочим органом во всех этих машинах являются гидроцилиндры, которые состоят из цилиндрического полого корпуса с донышками с перемещаемым внутри штоком и поршнем. В настоящее время ежегодный объем изготовления некоторых типов гидроцилиндров измеряется миллионами штук. В дальнейшем эти объемы будут увеличиваться, т.к. будет повышаться уровень механизации и автоматизации в промышленности и на транспорте.
Для обеспечения выпуска конкурентоспособной продукции производитель должен предлагать изделия в максимальной степени соответствующие требованиям заказчика. Однако, если процесс проектирования и изготовления гидроцилиндра сводится к выбору уже существующей конструкции с близкими к необходимым технико-эксплуатационным параметрами, то выполнить эти требования не всегда представляется возможным. Такой способ не позволяет создать конструкцию с оптимальными весовыми и прочностными характеристиками, а также учесть конструктивные особенности гидроцилиндра, зависящие от условий его эксплуатации.
В настоящее время условия современного рынка накладывают повышенные требования к качеству изделий машиностроения, а также гибкости машиностроительного производства. Производитель должен обеспечить минимальные затраты на изготовление изделия при сохранении необходимого качества.
Осуществить такие требования представляется возможным, используя средства вычислительной техники на всех этапах производства. Особая роль отводится применению электронных вычислительных машин (ЭВМ) в системах автоматизированного проектирования (САПР).
Трудоемкость и стоимость проектирования, как и качество его результатов, определяется объемом и глубиной инженерных знаний предметной области, заложенных в систему проектирования. Особенно актуальным при автоматизированном проектировании изделий является обеспечение учета влияния условий эксплуатации изделия на его конструктивно-технологические параметры.
В существующих системах автоматизированного проектирования в подавляющем большинстве случаев инженерные знания остаются вне системы проектирования. Наиболее эффективным является применение специализированных автоматизированных объектно-ориентированных систем проектирования, адаптированных к конкретной предметной области и использующих формализованные инженерные знания [14,46].
При использовании подобных систем специалист вводит в систему проектирования данные технического задания, учитывающие условия эксплуатации. Далее осуществляется автоматизированный процесс генерации проекта, в котором проектировщик принимает принципиальные решения путем их выбора из вариантов, предлагаемых компьютером на основе использования формализованных инженерных знаний. Подобный подход особенно актуален как при разработке принципиально новых видов изделий, так и при разработке проектов распространенных изделий, например, элементов гидропривода.
Несмотря на высокий уровень типизации элементов конструкции таких изделий, в каждом конкретном случае приходится выполнять большой объем проектно-конструкторских работ. Учитывая острую необходимость в сокращении сроков проектирования, неоднократно делались попытки использовать существующие универсальные САПР. Однако они не дают возможности получать твердотельные модели и конструкторские чертежи проектируемого изделия в автоматизированном режиме и требуют дополнительной реализации алгоритмов автоматизированного расчета.
В настоящее время развитые САПР включают программные компоненты в виде ядра, поддерживающие параметрические возможности. Главным достоинством таких систем является возможность многократного использования одной и той же модели с различными значениями её размерных параметров, что в значительной степени повышает производительность труда конструктора [46].
Задачи конструкторского проектирования принято делить на две основные группы. Одна группа задач группа предназначена для синтеза структуры (топологии) конструкции изделия с учетом её функциональных характеристик - задачи структурного (топологического) проектирования, а другая группа задач определяет геометрические параметры конструкции без изменения ее структуры - задачи параметрического (геометрического) проектирования [60].
Основным показателем комплексного подхода к автоматизации технической подготовки производства является снижение материальных затрат на него, сокращение сроков проектирования и повышение производительности труда.
Потребность в автоматизации инженерного труда связана с постоянным увеличением объема информации и с необходимостью устранения противоречий между качеством проектных решений и сроками их разработки.
Проблема создания систем автоматизированного проектирования машиностроительных изделий затрагивается во многих работах [8, 11, 12, 17, 32, 49, 59, 73, 80, 81], посвященных автоматизации технологической подготовки производства. В частности, в этой области проводили исследования В.И. Аверченков, Л.А. Антипина, В.Б. Ильицкий, А.Г. Ракович, В.Д. Цветков, В.В. Микитянский, Ю.Н. Кузнецов, М.Г. Косов, Н.М. Капустин и др.
Вопросы автоматизации проектирования объектов при отсутствии специализированных САПР решаются методом адаптации универсальной системы к конкретной предметной области путем разработки специализиро-
ванных приложений, представляющих собой узко-направленные автоматизированные системы проектирования.
Существующие приложения автоматизированного проектирования гидроцилиндров, как правило, реализуют лишь алгоритм, который представляет собой автоматизированный расчет, и не дают возможности получать 3D-Mодели и конструкторские чертежи проектируемого объекта. Целью такого расчета является определение (выбор и расчет) основных конструкционных параметров гидроцилиндра и проверка по критериям прочности. Такие системы не позволяют получить структурный состав гидроцилиндра, который зависит от технического задания (ТЗ) на проектирование и условий эксплуатации гидропривода в целом. Структура объекта проектирования позволит построить твердотельную модель объекта проектирования, адаптированную к конкретным условиям эксплуатации и подготовить комплект конструкторской документации.
Таким образом, данная работа, направленная на автоматизацию проектирования гидроцилиндров с учетом условий их эксплуатации в рамках применения интегрированных САПР с использованием методов многокритериального выбора технических решений является актуальной для решения всего комплекса проблем автоматизации технологической подготовки производства.
При выполнении диссертации использовались результаты, полученные в рамках ведомственной научной программы НТП «Развитие научного потенциала высшей школы», per. № 01 2005 07138, Министерства образования и науки РФ, рук. В.И. Аверченков, при выполнении проекта «Автоматизация процедур параметрического проектирования типовых конструкций транспортных машин с учетом условий их эксплуатации», а также в работах по плану проведения НИР в БГТУ с 2003г. по 2007г. Результаты исследований и разработанная автоматизированная система проектирования гидроцилиндров прошли успешные испытания и внедрены в производственный процесс на предприятии ОАО «Агрегатный завод», а также в
учебный процесс Брянского государственного технического университета на кафедре «Компьютерные технологии и системы».
Целью работы является сокращение трудоемкости, повышение производительности работ и качества проектирования гидроцилиндров за счет автоматизации процедур параметрического проектирования на основе формализации описания моделей их конструкций, выбора компоновочных схем, учитывающих условия эксплуатации, и создания программно-методических модулей, расширяющих функциональные возможности современных CAD-систем.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:
Разработка методики автоматизированного проектирования гидроцилиндров с учетом условий их эксплуатации.
Формализация методов выбора конструкции гидроцилиндра и их оценки с учетом условий эксплуатации.
Разработка методики и алгоритмов построения моделей основных групп элементов конструкции гидроцилиндра для использования их при создании сборочных параметрических моделей.
Создание автоматизированной системы параметрического проектирования гидроцилиндров с учетом условий их эксплуатации и всех видов её обеспечения.
Разработка библиотеки параметрических моделей уплотнительных элементов, определяющих конструкцию узлов гидроцилиндра в зависимости от условий эксплуатации.
Методология и методы исследования. При выполнении теоретических исследований и реализации поставленной задачи использовались методы системно-структурного анализа и декомпозиции, объектно-ориентированного программирования и анализа, системология инженерных знаний, теория проектирования, теория графов, теория принятия решений и экспертных оценок.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Проведена формализация процесса автоматизированного проектирования гидроцилиндров с учетом условий эксплуатации.
Предложен подход к созданию прикладных САПР на основе параметризации, представляющий собой расширение функциональных возможностей существующих CAD-систем с помощью специализированных программно-методических модулей, использующих возможности API-интерфейса CAD-систем по созданию твердотельных параметрических моделей, адаптированных к конкретной предметной области.
Предложена методика параметризации и хранения твердотельных моделей на примере деталей силовых цилиндров.
Основные положения, выносимые на защиту.
Структура и универсальные алгоритмы автоматизированной системы параметрического проектирования гидроцилиндров, учитывающие условия их эксплуатации, которые могут быть использованы при автоматизации конструкторской подготовки производства широкого класса изделий.
Методика автоматизированного проектирования гидроцилиндров, позволяющая учитывать условия их эксплуатации.
Способ формального описания процесса параметризации объектов проектирования, заключающийся в определении множества структурных элементов объекта, отношений между ними и способов их формирования.
Практическую ценность работы составляют:
Предложенные методики автоматизированного проектирования гидроцилиндров, основанные на выборе оптимальных конструкций узлов для конкретных условий их эксплуатации.
Созданная автоматизированная система параметрического проектирования гидроцилиндров.
3. Разработанный специализированный модуль автоматизированного
формирования сборочных ЗО-моделей в системе Autodesk Inventor.
В первой главе дается обзор основных особенностей конструкций гидроцилиндров и проведен анализ существующих методов их проектирования.
Выявлено, что в зависимости от условий эксплуатации гидроцилиндров существует достаточно большое количество вариантов их исполнения: различные конструктивные схемы, разнообразные защитные покрытия деталей, определенные типы уплотнений, способы герметизации неразъемных соединений. Поэтому проектирование новой модели гидроцилиндра является довольно трудоемкой задачей. Значительное время уходит на выбор необходимой конструкции гидроцилиндра, анализ конфигурации отдельных ее узлов на соответствие их эксплуатационным условиям, выполнение проектных и проверочных расчетов, подготовку комплекта документации, необходимой для изготовления изделия.
Анализируется современное состояние работ по автоматизации проектирования и, в частности, проектирования гидроцилиндров. Вопросы автоматизированного проектирования машиностроительных объектов рассматривались в работах В.И. Аверченкова, Г.Н. Васильева, Г.Б. Евгеньева, Н.М. Капустина, В.А. Камаева, В.Г. Митрофанова, И.П. Норенкова, Ю.А. Пертена, А.В. Петрова, В.Д. Цветкова и др.
Выявлено, что в настоящее время отсутствуют системы автоматизированного проектирования гидроцилиндров, учитывающие условия их эксплуатации и выполняющие стадии от ввода технического задания до выхода твердотельной модели и комплекта документации. Процесс проектирования сводится к выбору уже существующих моделей или к частичной автоматизации традиционной методики расчета и конструирования, которая опирается на использование справочной литературы и собственного опыта проектировщика.
Приводится обоснование актуальности создания автоматизированной системы параметрического проектирования гидроцилиндров.
Рассмотрен процесс проектирования гидроцилиндров на основе выполненного обзора методов проектирования, с учетом особенностей конструкции гидроцилиндра, выбран метод типового вариантного проектирования, который был положен в основу создаваемой системы. Практическая реализация данного метода осуществлялась с помощью методов параметризации. Проблема параметризации машиностроительных объектов рассматривалась в работах С.А. Борисова, СЮ. Козлова, В.И. Аверченкова, М.Ю. Рытова и др. При этом под параметризацией понимается возможность изменения геометрических и/или негеометрических характеристик модели объекта проектирования путем изменения небольшого числа определяющих эти характеристики параметров.
Дан анализ современных отечественных и зарубежных CAD-систем, на основе которого установлено, что система Autodesk Inventor, обладающая большими возможностями параметризации создаваемых моделей, является подходящей основой для разработки автоматизированной системы параметрического проектирования гидроцилиндров.
Вторая глава посвящена разработке математической модели выбора конструкции гидроцилиндра, основанной на методе анализа иерархий (МАИ).
Установлено, что по условиям эксплуатации можно выделить три условные группы гидроцилиндров:
привода в действие рычажных механизмов рабочего оборудования, совершая полезную работу, повторяющуюся циклически;
перемещения рабочих органов, совершая полезную работу в процессе движения;
установки рабочих органов или всей машины в определенное положение.
Основными задачами, на решение которых ориентирована предлагаемая математическая модель, является формирование множества допустимых альтернативных вариантов конструкций гидроцилиндров, оценивание альтернатив по выявленным критериям и их ранжирование с учетом предпочтительности.
Для выбора конструкции гидроцилиндра, наиболее соответствующей требованиям ТЗ, необходимо иметь описания множества основных узлов конструкции гидроцилиндра (информационная модель) и алгоритмы оценки интересующих показателей каждого узла из этого множества (процедура синтеза).
В виду большого количества моделей и конструкций гидроцилиндров в рамках данной работы рассматривались гидроцилиндры с односторонним штоком. Предложено из набора принципиальных элементов гидроцилиндра, содержащего множество альтернативных решений, осуществлять выбор одного варианта компоновки каждого узла в соответствии с требованиями ТЗ. Каждому элементу принципиальной схемы соответствует один или несколько конструктивных элементов (технических решений), хранящихся в базе знаний в форме параметризованных фрагментов. Окончательно одно из решений выбирается на основании соответствия варианта конструкции тому или иному критерию. При поисковом конструировании использовался морфологический метод синтеза и анализа принципиальных и конструктивных решений. Создано морфологическое множество, включающее в себя все структурные решения и конструктивные исполнения гидроцилиндров.
В третьей главе рассмотрена алгоритмизация процесса параметрического проектирования гидроцилиндров, сформулированы требования к автоматизированной системе и определены её функции. Проанализированы способы представления инженерных знаний, используемых при осуществлении процесса параметризации моделей деталей гидроцилиндра, предложен способ его формального описания и рассмотрены структура и
механизм построения параметрических моделей деталей и сборочных единиц, выявлены виды и способы задания параметрических связей.
Четвертая глава посвящена созданию автоматизированной системы параметрического проектирования гидроцилиндров. Результатом работы по созданию САПР стала система, обеспечивающая формирование твердотельной модели гидроцилиндра, конструкция которого учитывает условия эксплуатации, и комплекта проектно-конструкторскои документации (включая сборочную ЗО-модель и модели деталей гидроцилиндра) в автоматизированном режиме.
В пятой главе рассмотрен порядок проектирования гидроцилиндров с использованием разработанной автоматизированной системы, сформулированы минимальные требования к информационному, программному и техническому обеспечению автоматизированной системы параметрического проектирования гидроцилиндров. Приведена оценка технико-экономической эффективности от использования разработанной автоматизированной системы проектирования.
Анализ существующих подходов к автоматизации проектирования гидроцилиндров
Проектно-исследовательские и конструкторские работы, связанные с определением структуры, конструктивных и обобщенных параметров гидроцилиндра, оценкой соответствия рабочих характеристик проектируемого цилиндра требованиям технического задания, выпуском конструкторской документации, и другие конструкторские работы можно условно разделить на следующие основные комплексы проектно-исследовательских и конструкторских задач, решаемых с помощью САПР [17].
1. Проектно-конструкторские расчеты по типовым схемотехниче ским и конструкторским решениям. Примером такой работы является оптимизация конструктивных параметров деталей гидроцилиндров.
В процессе синтеза гидроцилиндров необходимо многократно оценивать характеристики гидроцилиндров и сопоставлять их с требованиями технического задания (ТЗ) на проектирование. Создание новой конструкции гидроцилиндра на промышленном предприятии осуществляется на отраслевой элементной базе и с использованием созданного предприятием некоего конструкторского задела в виде типовых проектно-конструкторских решений и рядов унифицированных элементов. Наиболее очевидным путем повышения эффективности проектных работ с помощью САПР является создание пакетов прикладных программ, работающих в диалоговом режиме, позволяющих автоматизировать выполнение проектно-конструкторских работ по типовым объектам проектирования на соответствие требованиям ТЗ и оптимизировать параметры конструкции, обеспечивая достижение максимально возможных оценок определенных показателей качества. В качестве типовых конструкторских решений можно рассматривать фрагменты конструкций поршня или штока гидроцилиндра.
2. Исследование на ранних этапах проектирования работа процессов и характеристик гидроцилиндра с учетом влияния конструктивно технологических и эксплуатационных факторов. При традиционных мето дах проектирования эта задача часто решается на этапе экспериментально доводочных стендовых испытаний. Однако использование средств САПР позволяет переместить значительный объем доводочных работ по совер шенствованию конструкций из области экспериментальных исследований в область теоретических исследований. Эта задача решается с помощью мето дов имитационного моделирования на ЭВМ, что позволяет на основе использования моделей типовых элементов гидроцилиндра, описывающих элементарные рабочие процессы в них с учетом конструктивно технологических и эксплуатационных факторов, автоматически конструи ровать возможные общесистемные ситуации в гидроцилиндре, возникающие при взаимодействие элементов в типовых или экстремальных эксплуатационных условиях [17]. Важным свойством имитационных моделей гидроцилиндров является то, что при детальном описании элементов гидроцилиндра достоверно воспроизводятся процессы взаимодействия между элементами, и конструктор получает возможность исследовать такие общесистемные ситуации, которые заранее предвидеть часто невозможно. При этом учитывается технологический разброс нестабильных параметров, изменение эксплуатационных режимов, а также могут быть введены условия, соответствующие возникновению локальных отказов в элементах гидроцилиндра [17].
3. Конструирование деталей и сборочных единиц гидроцилиндра, выпуск конструкторской документации. Работы, связанные с автоматизированным конструированием и проектированием конструкторской документации, можно условно разделить на следующие группы: - конструирование деталей и сборочных единиц гидроцилиндра с типовой, заранее известной конфигурацией, в которой при изменении обобщенных характеристик параметров гидроцилиндра изменяются частично или полностью только геометрические размеры; - конструирование деталей новых конфигураций; - формирование сборочных чертежей и ЗО-моделей (компоновок) из унифицированных конструктивно законченных элементов и деталей, конфигурация которых известна заранее; - составление спецификаций на комплектующие изделия; - составление типовых текстовых документов, таких, как расчеты на соответствие техническим требованиям, технические условия на гидроцилиндры и других документов с часто повторяющимися фрагментами текста.
Разработка концепции метода поискового конструирования гидроцилиндров
При необходимости создания эффективных и в полной мере отвечающих условиям эксплуатации конструкций гидроцилиндров проектировщик должен отыскивать рациональные решения на каждом этапе проектирования: техническом задании, техническом предложении, эскизном проекте, техническом проекте, рабочей документации. Причем на каждом последующем этапе принимать решения становится труднее, поскольку для их осуществления требуются все большие затраты времени и ресурсов, а число прорабатываемых идей убывает. Особенно важное значение имеет отбор идей и решений на начальных этапах проектирования изделий, что позволяет исключить варианты решений, имеющих ограниченную ценность до того, как разработка изделия перейдет на более этапы с высокими затратами ресурсов [14].
Для подготовки структурной модели гидроцилиндра для последующего параметрического проектирования, которое использует в качестве одной из компонент входных данных конструкцию изделия, решено применять элементы метода поискового конструирования [19]. Данный метод предусматривает анализ и декомпозицию исследуемого класса технических решений. Особенность автоматизированного поискового проектирования конструкции гидроцилиндра состоит в исследовании всех вариантов конструктивных схем гидроцилиндра, вытекающих из закономерностей строения и вариантов исполнения основных узлов и элементов. При этом, путем комбинаций и перебора всех возможных вариантов сочетаний узлов синтезируются конструкции гидроцилиндра, которые при ручном переборе могли быть упущены.
Для автоматизированного синтеза конструкции гидроцилиндра по имеющемуся техническому заданию, состоящему из основных технических требований и условий дальнейшей эксплуатации объекта, необходимо иметь описания множества основных узлов конструкции гидроцилиндра (информационная модель) и алгоритмы оценки интересующих показателей каждого узла из этого множества (процедура синтеза) [17, 24, 46]. В виду большого количества моделей и конструкций гидроцилиндров в рамках данной работы рассматривались гидроцилиндры с односторонним штоком.
Системная иерархия машиностроительных и геометрических объектов
При подготовке информационной модели рассматриваемого объекта проектирования предварительно должна быть проанализирована и систематизирована вся исходная информация об общих данных (наименование, состав конструкции и др.) и отдельных признаках рассматриваемых узлов конструкции гидроцилиндра (ограничения по параметрам, условия применимости и т.п.). Наибольшее распространение в автоматизированном проектировании нашли структурные модели объектов и процессов в виде графов. Поэтому в качестве описания структурной модели гидроцилиндра, отражающей взаимное расположение, состав, конструкцию и связи между основными узлами выбран древовидный И/ИЛИ-граф. Достоинством таких моделей является универсальность и наглядность постановки большого числа различных формальных задач, простота представления графов в ЭВМ, автоматическая оценка, сравнение и синтез [46,21, 22].
Основу для классификации объектов инженерных знаний образует иерархия изделий по отношению «целое-часть», родовидовая классификация объектов каждого уровня. ЕСКД устанавливает следующие виды изделий: детали, сборочные единицы, комплексы и комплекты. Системная иерархия конструкторских и геометрических объектов по отношению «часть-целое» представлена на рис.2.1.
Для структурного синтеза сборочных единиц при проектировании необходимо использовать еще один объект - узел. Под узлом будем понимать соединение сборочных единиц, деталей и элементов деталей. Для гидроцилиндра основными узлами будут являться следующие конструктивные элементы: 1) соединение головок с гильзой; 2) поршень со штоком; 3) направляющая штока; 4) демпферное устройство; 5) грязесъемник; 6) устройство для удаления воздуха; 7) устройство для подвода рабочей жидкости; 8) устройство для крепления гидроцилиндра к машине. Детали - это изделия, изготовленные из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций.
Стандартные и нормализованные детали относят к классу неструктурированных объектов. В состав конструкции гидроцилиндра входят следующие неструктурированные объекты: болты, гайки, шайбы, штифты, шпильки, уплотнительные прокладки, уплотнения из полых трубок, манжеты уплотнительные, поршневые металлические кольца и др.
Другой класс деталей, к которым относятся оригинальные, синтезируемые из элементов, называется структурируемыми объектами. К ним можно отнести гильзы, поршни, штоки, головки, направляющие втулки, плунжеры, бобышки, втулки, резьбовые стержни и др.
Анализ методов, используемых при автоматизации проектирования гидроцилиндров
Разработка автоматизированной системы проектирования гидроцилиндров с учетом условий их эксплуатации, функционирующей в среде современных интегрированных САПР, должна опираться на методы обеспечения блочно-модульной компоновки изделия, методы сравнительной качественной и количественной оценок; методы типизации конструкции изделия и унификации составных его частей и конструктивных элементов [63, 73].
Методы блочно-модульной компоновки изделия предусматривают членение конструкции гидроцилиндра на функционально законченные части с образованием блоков-модулей, т.е. частей, представляющих собой совокупность функционально объединенных элементов. Данный метод полезен на ранних стадиях проектирования гидроцилиндра, когда наиболее актуальными вопросами являются определение состава изделия и выявление наиболее рациональной его конструкции. В рамках использования интегрированных САПР метод может быть также реализован путем использования информационных моделей различных вариантов конструктивных решений и выбора на основании существующих данных и конкретных условий производства и эксплуатации наиболее рациональных вариантов.
Сущность методов сравнительной качественной оценки сводится к сравнению существующих вариантов конструктивных исполнений основных узлов силового цилиндра, который необходимо спроектировать на данном этапе разработки конструкции изделия, и выбора наилучшего в данных производственных условиях. В рамках использования современных средств автоматизации проектирования данный метод может быть рассмот рен как один из оптимизационных методов, реализующих выбор наилучшего варианта из множества возможных с применением современных математических средств. В качестве критериев выбора наилучшего конструктивного решения могут выступать как укрупненные (технологичность механической обработки деталей, технологичность сборки или эксплуатации и т.д.), так и критерии, обеспечивающие более точные результаты сравнения (трудоемкость, технологическая себестоимость, удельная материалоемкость и т.д.).
Методы количественной оценки позволяют решать задачи определения эксплуатационных показателей и сравнении на их основе различных вариантов конструктивных исполнений составных частей изделий.
Качественная и количественная оценки, будучи отнесены к одному и тому же объекту - конструкции, являются отражением различных оценочных показателей этого объекта. Описывая принципиально одну и ту же природу явлений, они находятся в теснейшей взаимосвязи и взаимообусловленности. В процессе автоматизированного проектирования целесообразно комплексное использование этих методов. Например, в начале проектирования гидроцилиндра необходима количественная оценка основных его узлов для установления номенклатуры допустимых к дальнейшему анализу элементов конструкции. Затем, при обеспечении элементами гидроцилиндра требуемых условий, для выбора наиболее технологичного конструктивного решения нужно использовать качественную оценку.
Таким образом, качественная и количественная оценки являются неразрывными частями общего процесса автоматизированного проектирования, взаимно дополняют друг друга и являются, по существу, механизмом единого процесса.
Методы типизации конструкции изделия предусматривают создание типовых образцов составных частей изделий и являются наиболее эффективными при многократной повторяемости конструктивных схем гидроцилиндров. При разработке автоматизированной системы проектиро вания гидроцилиндров возможна реализация данных методов путем создания параметрических моделей семейств конструктивно подобных деталей и сборочных единиц изделия, обеспечивающих высокую степень конструктивной преемственности между разрабатываемым изделием и изделием-аналогом.
Методы унификации составных частей изделия и конструктивных элементов предусматривают сокращение разнообразия перечисленных объектов при сохранении разнообразия сфер, в которых они применяются. Данные методы применяются на всех стадиях создания конструкции изделия и подготовки его производства. В условиях использования интегрированных САПР эти методы могут быть реализованы путем применения параметрических библиотек стандартных, унифицированных и нормализованных деталей и конструктивных элементов, имеющихся в составе большинства всех CAD-систем.
Главным результатом конструирования изделия при использовании CAD-систем является ее единая компьютерная информационная модель. При помощи формализации представления типовых конструкций гидроцилиндров, используемых на различных этапах их создания, а также за счет наличия мощных инструментальных графических средств проектирования можно существенно упростить процесс создания изделия и последующего выпуска конструкторско-технологической документации.
Выбор средств разработки автоматизированной системы проектирования гидроцилиндров
Выбор языка программирования определяет разнообразие возможностей, которые программист может реализовать в приложении, а также то, насколько быстро он это сделает. Быстрая разработка приложений RAD (Rapid Application Development) основывается на визуализации процесса создания программного кода [50].
Эта технология является инструментальным программным обеспечением, которое представляет программистам средства, ускоряющее разработку необходимого прикладного процесса, сокращающего работу по модификации уже готовой прикладной программы и внесение в нее необходимых дополнений и изменений. С целью максимального упрощения перечисленных действий используются графические инструментальные средства [18, 50, 51, 68].
В настоящее время существует большое количество средств визуального программирования, основанных на различных алгоритмических языках. Лидеры в разработке: Microsoft и Borland. Каждая из этих фирм представляет несколько программных средств визуального программирования. Microsoft: - Visual Basic; - Visual C++; - Visual J# Borland: - Delphi; - C++Builder; - J Builder.
Указанные средства разработки известны своей гибкостью при создании приложений. Они базируются на основе языков программирования C++, Object Pascal, Basic. Эти средства позволяют осуществлять разработку приложений на профессиональном уровне.
Основа среды программирования Delphi - язык Object Pascal, последняя версия этого языка по своим возможностям приближается к C++. В то же время Pascal имеет более простой и ясный синтаксис в отличие от языка C++. Это позволяет минимизировать число ошибок и повысить скорость разработки приложений [89].
Object Pascal - полноценный объектно-ориентированный язык, поддерживающий все основные концепции объектно-ориентированного программирования: инкапсуляция, наследование, полиморфизм, что позволяет реализовывать все функциональные возможности.
В отличие от C++, в Object Pascal не поддерживается множественное наследование, хотя Object Pascal можно считать более простым, чем C++, но для его эффективного использования требуется относительно высокая квалификация программиста.
Borland Delphi обладает мощными средствами для разработки приложений, управляющих базами данных. Полная поддержка технологий СОМ, ActiveX и OLE - одно из основных достоинств Delphi [15].
В качестве средств разработки автоматизированной системы проектирования гидроцилиндров с учетом условий их эксплуатации выбрана интегрированная среда разработки приложений Borland Delphi.
Среда разработки не предъявляет высоких требований к программно-аппаратной части компьютера. Для версии Borland Delphi 7 минимальными требованиями являются: Операционная система от Windows 98 до Windows ХР. Процессор классом не ниже Intel Pentium или Celeron с тактовой частотой от 166 МГц. Оперативная память - от 128 Мбайт. Жесткий диск со свободным дисковым пространством около 500 Мбайт. Видеокарта VGA или SVGA.
Визуальная технология разработки программ позволяет быстро создавать приложения путем размещения в форме стандартных компонентов. При этом соответствующий код программы автоматически генерируется средой Delphi. Такая технология освобождает разработчика от рутинной работы по созданию пользовательского интерфейса и позволяет уделить внимания внутренней организации программы и обработке данных.
Программное обеспечение САПР представляет собой совокупность машинных программ и сопутствующих им эксплуатационных документов [73]. Полнота, свойства и характеристики ПО определяют функциональные возможности, области эффективности использования САПР.
Варианты организации ПО САПР разнообразны и зависят от многих факторов, главными из которых являются: 1. Предметная область, аспекты и уровни создаваемых с помощью ПО описаний проектируемых объектов. 2. Степень автоматизации отдельных проектных операций и процедур. 3. Архитектура и состав технических средств, режим функционирования. 4. Ресурсы, отпущенные на разработку программного обеспечения. Программы, входящие в ПО, должны: - обеспечивать экономичность использования ресурсов ЭВМ (памяти и времени процессора), т.е. быть эффективными; - обладать надежностью; - обладать структурностью и модульностью, которые заключаются в том, что сложная задача может быть разделена на более простые, каждой из которых соответствует определенный программный модуль; - допускать модифицируемость, т.е. вносимые в программы изменения не должны ухудшать их качества; - быть «дружественными», т.е. быть удобными для пользования;
Программное обеспечение САПР подразделяют на общесистемное и прикладное.
Общесистемное ПО служит для организации функционирования технических средств. Возможности, которые представляют пользователям современные технические средства, в большей мере определяются их операционными системами. Общее ПО не является объектом разработки, носит универсальный характер и специфики САПР не отражает. В его состав входят: - операционная система; - операционные оболочки; - обслуживающие программы (утилиты); - системы программирования.
Для создания САПР гидроцилиндров использовались операционная система Microsoft Windows ХР, CAD-система Autodesk Inventor 7, среда разработки Borland Delphi 7, процессор баз данных Borland Database Engine (BDE).
