CC BY
26
© Ю.А. Павлов, 2004
УДК 622.002.2 Ю.А. Павлов
АНАЛИЗ ИЗДЕЛИЙ КАМНЕОБРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА С ПОЗИЦИЙ ИХ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Семинар №20
сновными тенденциями развития камнеобрабатывающей отрасли в настоящее время являются увеличение разнообразия выпускаемой продукции, значительное усложнение конструкции изделий, непрерывное возрастание их качества и снижение себестоимости производства. Решение первоочередных задач обеспечения конкурентоспособности отечественных камнеобрабатывающих предприятий базируется на следующих системных принципах:
- переход на современные методы организации и управления производством, нацеленные на конечную задачу полного удовлетворения требований потребителя, с оптимизацией всех связанных с целевой функцией бизнес-процессов (разработка новых изделий и вывод их на рынок, долгосрочное и оперативное планирование, снабжение и сбыт, обслуживание клиентов и другие);
- освоение и практическое применение новых информационных технологий для всех категорий бизнес-процессов (дизайнерских, технических, производственно-технологичес-ких и организационно-экономических);
- использование научных методов построения технологических систем (классификации материалов и изделий; переход к типовым и групповым технологическим процессам; создание модульных технологий изготовления заготовок, деталей и сборки сложных изделий);
- модернизация основных фондов с целью обеспечения технологической гибкости производства, способного мобильно переходить на выпуск новой продукции, приспосабливаясь к изменяющимся рыночным условиям (использование оборудования многоцелевого назначения, обрабатывающих центров и гибких производственных модулей, создание гибких авто-
матических линий, участков и цехов с компьютерными системами управления);
- организация многоуровневой подготовки квалифицированных специалистов различных профессий, способных решать новые производственные задачи.
Рассмотрим системные методы классификации изделий из природного и искусственного камня как объектов автоматизированного проектирования и технологической подготовки камнеобрабатывающего производства на основе объектно-ориентирован-ных программных средств.
Традиционная классификация предусматривает разделение продукции камнеобрабатывающих производств на три категории (класса): полуфабрикаты (слэбы, плиты и другие заготовки); готовые изделия; продукция их отходов основного производства (сырье для синтетических материалов, мозаичные комплекты, щебень). Готовые изделия обычно делятся по их назначению на следующие виды (подклассы): облицовочные и облицовочно-декоративные (синтетические) плиты, архитектурно-строительные, декоративно-художест-венные, монументальные, мемориальные, дорожно-строительные и технические изделия. Каждый из подклассов можно разбить на группы по типам изделий (например, стандартные и нестандартные плиты; плоскостные и профильные архитектурно-строительные детали; бытовые и сувенирные декоративнохудожественные изделия и т.д.). Группы изделий делятся на подгруппы в зависимости от используемого материала (гранит, мрамор, поделочные камни, мягкие породы, синтетические материалы). Подгруппы изделий, в свою очередь, могут быть представлены несколькими разновидностями в зависимости от размерных или других дополнительных признаков.
Рассмотренная классификация продукции камнеобрабатывающих производств широко используется для определения ассортиментной специализации предприятий, а также сегментации рынка изделий из природного камня при определении маркетинговой деятельности [3]. С точки зрения процесса подготовки производства классификация изделий как объектов эксплуатации позволяет на этапе концептуального (эскизного) проектирования анализировать распределение изделий по потребительскому качеству, оценивать их художественнодекоративный и технический уровень, формировать требования к последующим этапам проектирования, отбирать лучшие решения на основании предварительного технико-
экономического расчета.
На этапе дизайнерского и конструкторского рабочего проектирования целесообразно использовать систематизацию изделий из камня по геометрическому признаку [2]. В соответствии с такой классификацией все детали изделий делятся на два класса: простые (базовые) и сложные (составные) геометрические тела. Простые тела образуют следующие подклассы: плоскостные, многогранные, осесимметричные (тела вращения) и линейно-профильные (кинематические тела). Каждый из подклассов включает в себя несколько групп базовых тел разных форм. Плоскостные тела делятся на прямоугольные и фигурные; тела вращения - на цилиндрические, конические, шаровые, кольцевые, бочкообразные, параболоидные и эллипсоидные; линейно-профильные - на прямолинейные и криволинейные. Многогранные простые тела имеют форму параллелепипеда, призмы или правильного многогранника. Группы простых тел, в свою очередь, разделяются на подгруппы. Например, цилиндрические тела вращения могут быть круглыми прямыми, усеченными, подковообразными или полыми (трубообразными).
Геометрическая классификация отражает методы формообразования изделий с помощью компьютерных систем твердотельного моделирования, являющихся основным средством автоматизации процесса проектирования различных изделий. Наиболее доступными становятся инструменты для быстрого построения моделей деталей простых форм на базе стандартных геометрических примитивов. Сложные тела формируются из простых тел в результате топологических операций - булевых функций
сложения, вычитания, пересечения или их комбинации, а также модификации тел любой формы с помощью операций перемещения, удаления, деформирования или копирования их базовых элементов. Из деталей простой и сложной формы, скомпонованных в необходимом сочетании, строятся модели сборных изделий разного назначения. Параметрическое описание этих моделей дает возможность произвольно видоизменять их начальный вид, бесконечно расширяя тем самым номенклатуру проектируемых изделий.
Многообразие твердотельных геометрических моделей деталей и сборочных единиц промышленных изделий из камня не позволяет унифицировать их технологические системы -обрабатывающие и сборочные (монтажные). Поэтому на этапе технологического проектирования целесообразно перейти к классификации форм изделий на основании моделей поверхностей деталей, получаемых в процессе обработки, и моделей их соединения при сборке [1].
Свое служебное назначение детали изделий выполняют с помощью специально предназначенных для этого исполнительных поверхностей: базирующих и рабочих. Дополнительно выделяются связующие поверхности, задачей которых является объединение всех исполнительных поверхностей в единое пространственное тело - деталь и придание ей требуемых форм и размеров.
Базирующие поверхности (базы) однозначно определяют положение детали относительно другой детали изделия за счет лишения ее шести степеней подвижности (свободы). Если при монтаже детали ее базы не обеспечивают всех 6 опорных точек, то базируемая деталь может двигаться относительно базирующей в соответствующем направлении. В зависимости от числа лишаемых степеней подвижности базы деталей могут быть установочными - У (3 опорные точки), направляющими - Н (2), опорными - О (1), двойными направляющими -ДН (4) или двойными опорными - ДО (2). Поэтому, если базирующие поверхности должны обеспечивать 6 опорных точек, то возможны лишь четыре комплекта баз детали: У-Н-О, ДН-О-О, У-ДО-О, ДН-ДО.
В зависимости от конструктивно-
геометрического варианта исполнения класс базирующих поверхностей деталей можно разделить на пять подклассов: Б1-Б5 (рис. 1).
Рис. 1. Классификация базирующих поверхностей деталей промышленных изделий
Подклассы делятся на группы, а они, в свою очередь, - на подгруппы. Например, первый подкласс Б1, охватывающий разные сочетания плоских базирующих поверхностей, представлен тремя группами: Б11 - плоскость с направляющей базой; Б12 - плоскость с двойной направляющей; Б13 - поверхности косоугольной формы. Каждая группа образована двумя подгруппами, первая из которых характеризует внутренние базирующие поверхности, а вторая - наружные. Следовательно, группа баз Б12 содержит подгруппу Б121 -плоскость с внутренними поверхностями направляющих прямоугольной формы; Б122 -плоскость с наружными поверхностями таких же направляющих.
Таким образом, все конструктивногеометрические схемы исполнения базирующих поверхностей деталей промышленных изделий могут быть сведены к 12 вариантам. Учитывая, что в изделиях из природного камня резьбовые (цилиндрические и конические) базы подкласса Б2 пока не нашли применения, а базирующие поверхности сложной формы (подкласс Б5) используются ограниченно из-за технологической сложности изготовления, количество вариантов исполнения баз сокращается до 7. Это дает возможность реализовать базы деталей изделий из камня в виде типовых конструктивно-геометрических модулей базирующих поверхностей (МПБ). Для изготовле-
ния каждого из типов баз должна быть разработана соответствующая технологическая система.
Сборка (монтаж) изделия представляет собой технологический процесс совмещения МПБ, являющегося вспомогательной базой первой детали, с МПБ той же группы, но противоположной подгруппы, образующим основную базу второй (присоединяемой) детали. Комплект базирующих поверхностей двух собираемых деталей вместе с их характеристиками образует модуль соединения (МС) деталей в изделии. Некоторые варианты исполнения МС для изделий из камня приведены в таблице. Характеристиками модуля соединения деталей являются: код МС; материал соединяемых деталей; габаритные размеры базирующих поверхностей; размерные связи баз деталей; посадка соединения. Дополнительно следует учитывать способы крепления монтируемых деталей с использованием: крепящих растворов и мастик; неразъемных фиксирующих устройств (металлических крепежей); разъемных резьбовых соединений. Ограниченный состав вариантов исполнения МС и способов силового замыкания их МПБ позволяет описывать технологический процесс сборки изделий в виде типовых технологических модулей.
Рабочие поверхности выполняют основные служебные функции деталей, такие как: восприятие внешних воздействий (переменных
нагрузок, температурных колебаний, влаги и т.д.), сопротивление изнашиванию, хранение жидкостей и другие. Важным назначением рабочих поверхностей деталей из камня является обеспечение эстетического качества всего изделия за счет соответствующей формы, текстуры материала, фактурной и декоративнохудожественной обработки. Из-за многообразия областей применения изделий из камня целесообразно классифицировать рабочие поверхно-
сти деталей по геометрическому признаку (рис. 2).
Рабочие поверхности разделяются на два подкласса - поверхности простой (Р1) и сложной (Р2) формы. Поверхности простой формы делятся на три группы: плоские (Р11); поверхности вращения (Р12); линейно-профильные (Р13). Эстетическое качество этих поверхностей достигается фактурой, зависящей от выбранного материала детали и способа обработ-
Рис. 2. Классификация рабочих поверхностей деталей промышленных изделий из камня
ки. Сложные поверхности в зависимости от вида декоративно-художественного оформления можно представить несколькими группами, каждая из которых требует разработки специальной технологии производства. Например, технологическая система "Грань" позволяет разрабатывать и изготавливать детали со сложными многогранными поверхностями группы Р21, а система "Мозаика" - изделия с мозаичными вставками (поверхности группы Р24) разных художественных стилей [2].
Каждая группа рабочих поверхностей, в свою очередь, делится на подгруппы в зависимости от их характерных особенностей их формы. Поверхности простых форм могут быть внешними и внутренними. Процесс обработки каждой из подгрупп этих поверхностей реализуется на основе типовых технологий. Виды поверхностей сложной формы более разнообразны. Однако их количество остается ограниченным (поверхности типов Р211, Р212, Р221, Р222, ...Р261, Р262), что позволяет применять при их изготовлении системные технологии.
Класс связующих поверхностей в соответствии со служебным назначением представлен тремя подклассами: С1- связующие базирующих поверхностей; С2 - связующие базирую-
щих и рабочих поверхностей; С3 - связующие рабочих поверхностей детали. В зависимости от геометрической формы связующие поверхности каждого вида могут быть разделены на две группы - простые и сложные.
К простым формам относятся плоскости и поверхности вращения (цилиндрические, конические, торовые). Например, плоские связующие поверхности первого подкласса образуют группу С11, а этот же вид связующих поверхностей в форме тел вращения -группу С12. Сложные геометрические формы имеют только связующие поверхности группы С32, требования к которым обычно такие же как и к сопрягаемым ими рабочим поверхностям детали. Связующие базирующих поверхностей, представленные плоскими фасками, закруглениями ребер или крепежными отверстиями и пазами, часто являются неотъемлемой частью баз детали. В этом случае их отдельно не выделяют, а рассматривают как составной элемент так называемых интегрированных базирующих поверхностей - БИ. В зависимости от размещения связующие поверхности любого вида делятся на две подгруппы - внешние или внутренние.
Рис. 3. Моделирование сборного изделия типа портала с помощью графов соединения деталей (а) и размерных связей (б)
На основании приведенной систематизации исполнительных и связующих поверхностей деталей все их многообразие при разработке конструкции сложных изделий из камня сводится к трем классам с ограниченным количеством групп и типов (подгрупп) в каждом из них. Относительная простота конструктивного оформления любого типа поверхности детали позволяет описывать эту поверхность небольшим набором характеристик. Сочетание выполняющих соответствующую служебную функцию поверхностей детали изделия, которое позволяет придавать детали конструктивную форму, эстетическое качество и технологичность изготовления, рассматриваемое вместе с их характеристиками, определяют единым понятием модуля поверхностей (МП) [1].
Модули поверхностей деталей характеризуют следующие параметры: 1- классификационный код; 2 - главный размер (длина, ширина, диаметр и т.д.); 3 - соотношение
размеров (пропорции); 4 - степень точности размеров и формы (квалитет); 5- фактура (класс шероховатости). В соответствии с функциональным признаком все модули поверхностей делятся на три класса: базирующие - МПБ, рабочие - МПР и связующие -МПС. Служебное назначение модулей поверхностей придает им кодовую однозначность и высокую стабильность структурного построения деталей, а также возможность типизации их художественно-
конструкторского оформления. Эти свойства МП являются важными при использовании
компьютерных систем художественного, конструкторского и технологического проектирования изделий. Наиболее полное решение задач разработки МП деталей обеспечивают графические системы поверхностного моделирования.
Системное описание изделий с помощью модулей соединения (МС) деталей и модулей поверхностей (МП) каждой детали позволяет формализовать процесс разработки промышленных изделий и создать методологию анализа их качества на ранних стадиях проектирования с использованием компьютерных программ.
Рассмотрим предлагаемую методику проектирования сложного изделия из камня. На первом этапе разрабатывается твердотельная пространственная модель изделия и осуществляется разделение его на сборочные единицы и детали. Затем определяется вид соединения деталей (состав и код МС), а также задаются характеристики используемых типовых МС. На следующем этапе формируется ориентированный граф структурной модели изделия и рассчитываются конструкторские размерные цепи, на основании которых задаются допуски на основные размеры всех собираемых деталей. Пример выполнения данных этапов компьютерного проектирования промышленного изделия из камня показан на рис. 3.
Очередные этапы связаны с рабочим проектированием деталей изделий. На твердотельной модели детали выделяются исполнительные - базирующие (Б) и рабочие (Р), а также связующие (С) поверхности. Для каждой поверхности задается ее код и определяются характеристики. Затем строится ориентированный граф МП детали, где на пер-
I 1КИ12 |
|_12БИ1^
|<|4Р1 * п р* | 5р гцІт
"Ц Гпр г 1111-І —1 |—Ьр1 1 11С221 г ^r 11* 1 7С221х2
|^2БИ^
| і6^331 1 | 18Р121 | * 2'Г22'^І 19РЩ^ ІТСШх |
т
Рис. 4. Пример анализа конструкции детали типа пьедестала в виде совокупности исполнительных и связующих поверхностей (а), с помощью ориентированного графа модулей поверхностей (б)
вом уровне располагается МПБ, выступающий в роли комплекта основных баз детали. На втором уровне размещаются МП, базой которых является МПБ первого уровня. На третьем уровне находятся МП, базой которых становятся МП второго уровня, и так до последнего МП этой детали.
На основании построенного ориентированного графа рассчитываются взаимосвя-
1. Базров Б. М. Модульные технологии в машиностроении. - М.: Машиностроение, 2001. -368 с.
2. Павлов Ю.А. Компьютерные системы проек-
тирования и подготовки производства промышленных
изделий из камня: Учебное пособие в 3-х частях. 4.1. На-
занные размерные цепи, замыкающим звеном которых становится размер и допуск на него, полученные из ранее рассчитанной размерной цепи изделия. Пример выполнения этих этапов компьютерного проектирования деталей дан на рис. 4.
Дальнейшее развитие разработанная методология получила при разработке технологических систем изготовления деталей и сборки (монтажа) сложных изделий из камня.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
учные основы, методы и средства разработки программных приложений. - М.: МГГУ, 2002. -108 с.
3. Федорин В.Ю. Маркетинг природного камня:
Научно-методические разработки. - М.: "Недра Ко ЛТД", 2001. -200 с.
— Коротко об авторах ----------------------------------
Павлов Ю.А. — Московский государственный горный университет.
