Уровни интеграции конструкторского и технологического проектирования в САПР корпусной мебели

Павел Бунаков

Конструкторско-технологический цикл мебельного изделия

Конструирование и технология

Конструирование и раскрой материалов

Управляющие программы для ЧПУ

Конструирование и экономика

Заключение

Проблема интеграции отдельных этапов жизненного цикла изделий в процессе автоматизации возникла достаточно давно, практически одновременно с появлением первых автоматизированных систем. Особую актуальность она приобрела в последние годы, когда предприятия начали активно переходить от автоматизации отдельных задач и подразделений к комплексной автоматизации. Необходимость интеграции определяется прежде всего потребностями самих предприятий: в условиях конкуренции необходимо оперативно реагировать на быстро меняющиеся условия спроса и предложения на рынке, повышение требований к качеству выпускаемой продукции, срокам исполнения заказов и т.д. Первыми это почувствовали компании, выпускающие товары массового спроса, в том числе мебельные предприятия, подавляющее большинство которых (более 90%) относится к малым предприятиям с численностью работающих до ста человек.

В условиях низкого спроса на мебель в России и большой доли импортной мебели на рынке многие мебельные предприятия для обеспечения гарантированного сбыта своей продукции полностью или частично переходят от серийного производства мебели к позаказному производству. Оно позволяет объединить положительные черты индивидуального и серийного типов производства, поскольку, с одной стороны, в полной мере учитывает стремление потребителей к эксклюзивности мебели, а с другой — обеспечивает промышленное качество в сочетании с приемлемыми ценами и сроками изготовления изделий. Необходимым условием реализации подобного перехода является отказ от жестких технологических схем массового производства и внедрение гибких технологий, что невозможно без комплексной автоматизации всех этапов жизненного цикла мебельного изделия, начиная от концептуального проектирования и разработки дизайн-проекта до реализации готовых изделий в мебельных салонах. Важнейшая роль при этом отводится интеграции конструкторского и технологического проектирования.

Конструкторско-технологический цикл мебельного изделия

Как известно, производственный цикл изделия — это календарный период, в течение которого материал, заготовка или другой обрабатываемый предмет проходит все операции производственного процесса и превращается в готовую продукцию. По аналогии с этим определим конструкторско-технологический цикл — период от начала конструирования изделия на основе дизайн-проекта или некоторой концепции до формирования комплекта электронных и/или печатных документов, достаточных для его изготовления.

Сокращение длительности конструкторско-технологического цикла мебельного изделия и прямая информационная стыковка его с производственным циклом представляет собой перспективное направление сокращения времени реализации заказов при одновременном повышении их качества. Для этого необходима глубокая интеграция всех модулей, обеспечивающих автоматизацию отдельных этапов. Важнейшим преимуществом интеграции, в отличие от использования обособленных систем (конструирования, раскроя материалов, подготовки управляющих программ для ЧПУ и т.д.), является отсутствие потерь и искажений информации, которые неизбежно возникают при переходах между системами, а также высокая скорость обмена информацией.

В структуре конструкторско-технологического цикла мебельного изделия можно выделить четыре уровня интеграции:

• учет технологических особенностей производства в процессе конструирования;
• автоматическое формирование исходных данных для решения задачи оптимального раскроя материалов;
• интеграция конструирования и формирования управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ;
• интеграция конструирования и технологии с задачами материально-технического снабжения и экономическими задачами.

Конструирование и технология

Учет технологических особенностей производства в процессе конструирования может быть реализован на основе разработки и применения в процессе конструирования системы конструкторско-технологических требований и ограничений (КТТО). Для этого необходим переход от универсальных геометрических моделей мебельных изделий, используемых в существующих САПР, к моделям, которые в полной мере учитывают структуру и функциональный состав изделий корпусной мебели, — объектно-ориентированным моделям.

Рис. 1. Конструкторско-технологические требования и ограничения

КТТО представляет собой набор ограничений, которым должны удовлетворять все проектные решения на этапе конструирования, причем соответствующий анализ должен выполняться автоматически. Например, при формировании сложного контура детали анализируется возможность его изготовления на существующем оборудовании, а при установке определенного элемента крепежной фурнитуры — целостность скрепляемых элементов и геометрическая корректность установки.

Структура комплекса КТТО показана на рис. 1. Его составные части подразделяются на группы по трем критериям:

• реакция системы на возникновение критической ситуации (нарушение условий): регламентирующие и рекомендуемые;
• этап, на котором реализуются инкапсулированные методы: конструкторские и технологические;
• структурно-функциональный элемент модели изделия, являющийся объектом действия элемента КТТО: листовой материал, погонный материал, крепежная фурнитура.

С точки зрения обязательности выполнения тех или иных элементов КТТО они подразделяются на регламентирующие и рекомендуемые и различаются между собой реакцией соответствующих алгоритмов на возникновение критической ситуации. Регламентирующие ограничения предполагают недопустимость выхода значений контролируемых параметров за диапазон допустимых значений. Они прерывают выполнение проектной операции для автоматического, автоматизированного или ручного изменения значений тех или иных параметров изделия. Примером регламентирующих КТТО являются ограничения на максимальный пролет горизонтальной перегородки без вертикальной опоры или минимальное значение острого угла щитового элемента.

Рекомендуемые ограничения, по сути, являются предупреждением конструктору о нежелательности применения определенных проектных решений. Они также прерывают выполнение проектной операции, но оставляют решение об изменении значений контролируемых параметров за специалистом. Примерами рекомендуемых КТТО являются ограничения на типоразмеры щитовых элементов (панелей), из которых состоит изделие, или соотношение высоты и глубины изделия.

Конструкторские ограничения связаны с соответствием геометрических характеристик отдельных элементов и их взаимного расположения функциональному назначению изделия. Технологические ограничения определяют расположение элементов крепежа в соответствии с принятыми технологическими процессами, облицовку кромочными материалами, возможность реализации геометрической формы элементов на имеющемся оборудовании.

Для обеспечения учета технологических особенностей производства в процессе конструирования в состав КТТО необходимо включить следующие параметры и операции:

• предельные значения внутренних и внешних острых углов, фасок и радиусов щитовых элементов с точки зрения как реализации соответствующей конфигурации, так и возможности облицовки их соответствующим кромочным материалом;
• предельные размеры горизонтальных и вертикальных перегородок, учитывающие способность выполнения ими своего функционального назначения и возможность изготовления из имеющихся заготовок;
• минимальные технологические и функциональные зазоры взаимного расположения щитовых элементов;
• интервалы допустимых значений взаимного расположения щитовых элементов с элементами крепежной и декоративной фурнитуры;
• дискретные ряды размеров внутренних полостей при установке в них стандартных блоков;
• рекомендуемые типоразмеры щитовых элементов и габаритных размеров изделия;
• соответствие параметров элементов сопряжения и профильных систем применяемым материалам;
• количественные и интервальные параметры установки элементов крепежной и декоративной фурнитуры с учетом минимизации переустановок оборудования;
• отсутствие открытых торцов щитовых элементов, не облицованных кромочным материалом.

Реализация методологии КТТО в рамках САПР корпусной мебели позволит наряду с обеспечением тесной интеграции конструирования и технологической подготовки минимизировать влияние человеческого фактора на выполнение проектных операций, что, в свою очередь, приведет к значительному сокращению общего времени изготовления изделий.

Конструирование и раскрой материалов

Первая технологическая операция, которую проходят листовые и погонные материалы, используемые в производстве мебели, — это раскрой. Результатом ее выполнения являются карты раскроя — графическое представление расположения заготовок на стандартном формате подлежащего раскрою материала. Оптимизация раскроя материалов представляет собой многокритериальную задачу, при решении которой применяются геометрические и технологические критерии оптимизации.

Одним из критериев качества карт раскроя является комплектность всех деталей, необходимых для обеспечения плана выпуска изделий. В случае интеграции модулей раскроя и конструирования выполнение данного критерия обеспечивается автоматически при передаче моделей изделий из модуля конструирования в модуль раскроя.

Важность такой интеграции особенно заметна при работе со сложными проектами, в которых используется большое количество различных материалов, а также при конструировании новых изделий на основе прототипов. В случае применения автономных модулей раскроя список раскраиваемых деталей набирается вручную или экспортируется из файлов стандартного формата. И в том, и в другом случае вероятность получения некомплектных карт раскроя достаточна высока.

При работе с интегрированным модулем раскроя в процессе передачи модели изделия выполняется автоматическая сортировка щитовых элементов в соответствии с материалами, из которых они изготавливаются. В случае любых изменений конструкции элементов или материалов достаточно просто выполнить регенерацию списка элементов. Это не только упрощает формирование карт раскроя, но и значительно сокращает время конструкторско-технологического цикла.

Использование интегрированных модулей раскроя дает еще два дополнительных преимущества. Во-первых, есть возможность применения не только полноформатных листов материала, но и обрезков, оставшихся от предыдущих раскроев того же материала. С точки зрения экономии материалов это дает ощутимый эффект. Однако следует отметить, что использование обрезков требует серьезных организационно-технических решений, связанных с их идентификацией, хранением и поиском. Во-вторых, решается задача передачи в модуль раскроя не только габаритных размеров, но и контуров криволинейных деталей. Несмотря на то что раскрой выполняется по технологии сквозных прямых резов, визуализация контуров деталей на картах раскроя представляется полезной с точки зрения их последующей маршрутизации.

Управляющие программы для ЧПУ

Повышение требований к эксклюзивности мебельных изделий со стороны потребителей неизбежно приводит к усложнению геометрических форм их составных элементов. Изготовление подобных деталей представляет собой достаточно трудоемкий и длительный процесс, не гарантирующий идентичности их характеристик по всему множеству. Следствием этого является снижение качества изделий, недопустимое в условиях позаказного промышленного производства. Мебельные предприятия оказываются перед необходимостью применения фрезерно-присадочных и кромкооблицовочных станков с ЧПУ для качественной и быстрой обработки сложных деталей.

Однако использование станков с ЧПУ ставит задачу проектирования управляющих программ, минимизировать трудоемкость которой можно путем автоматической передачи геометрической информации из математической модели изделия через интерактивный прикладной модуль, интегрированный с модулем конструирования, непосредственно в систему управления станка. Этот модуль должен обеспечивать реализацию следующих функций:

• автоматическое получение всей необходимой геометрической информации из математической модели изделия с выполнением препроцессорной обработки контуров панелей с целью их упорядочения, а также поиска и локализации потенциально ошибочных элементов и мест их сопряжения;
• автоматическое формирование траекторий движения инструмента;
• интерактивный режим проектирования УП, обеспечивающий реализацию максимального набора проектных операций;
• автоматическая генерация текста УП для выбранного станка с ЧПУ с возможностью ее верификации в покадровом и контурном режимах, а также в режиме съема материала;
• разработка постпроцессоров для новых станков без привлечения сторонних специалистов.
• В процессе автоматического формирования траекторий движения инструмента необходимо учитывать следующую совокупность данных:
• геометрические параметры контура обработки и инструмента;
• способ подвода и отвода инструмента: по касательной, нормали или дуге;
• схемы врезания и движения инструмента: в общем случае траектория движения инструмента представляет собой последовательность стандартных фаз: подвод, врезание, черновой проход, чистовой проход, отвод инструмента;
• наличие в переходе черновой и чистовой обработки: припуск на чистовую обработку, перекрытие следа фрезы на начальном участке, перебег фрезы;
• режимы резания, определяемые для каждой фазы обработки с возможностью автоматического изменения подачи в зависимости от типа обрабатываемого участка.

Проектирование УП требует задания большого количества параметров, многие из которых назначаются технологами на основании собственного опыта. Помимо этого конструкционные свойства ДСтП налагают ряд ограничений на геометрические параметры обрабатываемых контуров. В результате этого движение инструмента может носить неоптимальный характер, например с большим количеством мест резкой смены направления, из-за чего приводы станка значительную часть времени будут находиться в режиме торможения или разгона. Для визуального качественного анализа УП в состав модуля включается графический верификатор, который реализует следующие основные функции:

• ускоренная верификация программы с возможностью визуализации процесса съема материала;
• покадровое верифицирование;
• режим отладки программы с выдачей подробной информации о геометрических и технологических параметрах обрабатываемой поверхности и движении режущего инструмента в каждом кадре УП;
• измерение угловых и линейных размеров;
• формирование стека контрольных точек;
• контроль зарезов обрабатываемой поверхности, а также соударений или зарезов контрольной поверхности, с которой недопустим контакт режущего инструмента в процессе обработки (схема образования зарезов показана на рис. 2).

Рис. 2. Схема образования зарезов

Важное преимущество интеграции конструирования и формирования УП проявляется в том случае, когда новое изделие является модификацией ранее разработанного, что считается обычной практикой при изготовлении мебели. Использование отдельного модуля проектирования УП приведет к необходимости практически заново разрабатывать технологию изготовления. Интеграция позволяет исключить этот трудоемкий процесс, поскольку после изменения конструкции достаточно будет просто выполнить регенерацию УП.

Конструирование и экономика

В случае применения объектно-ориентированных моделей в мебельной САПР математическая модель изделия содержит необходимый объем информации для выполнения точного дифференцированного расчета необходимого количества материалов, что является исходной информацией для формирования спецификаций. Учитывая, что все основные материалы мебельного производства учитываются в штуках (комплектах), единицах длины или площади, для расчета материалоемкости изделия (Qm) можно использовать соотношение:

,

где N — количество материалов, учетной характеристикой которых является площадь;

αi — повышающий коэффициент, учитывающий отходы при раскрое i -го площадного материала;

Si — суммарная площадь деталей из i-го материала;

M — количество материалов, учитываемых в единицах длины;

βj — повышающий коэффициент, учитывающий отходы при раскрое i -го погонного материала;

lj — суммарный линейный размер деталей из j-го материала;

L — количество материалов, учитывающихся в штуках;

γk — повышающий коэффициент, учитывающий производственные и внепроизводственные расходы, отнесенные к k-му материалу;

Hk — количество штучных деталей k-го наименования.

Трудоемкость большинства работ по изготовлению мебельных изделий (прямолинейная распиловка, фрезерование пазов, облицовка кромок и т.д.) прямо пропорциональна геометрическим параметрам, которые могут быть автоматически определены в процессе анализа математической модели. Следовательно, не только материалоемкость изделия, но и трудоемкость его изготовления можно оценить, интегрируя экономический модуль с конструкторско-технологическим. Соотношение для расчета трудоемкости в нормо-часах, дифференцированное по операциям (Qр), имеет вид:

,

где I — количество операций, учет трудоемкости которых пропорционален площади поверхности детали или ее части;

μi — коэффициент трудоемкости i-й площадной операции;

Si — суммарная площадь деталей в изделии, требующих выполнения i-й операции;

J — количество операций, учет трудоемкости которых пропорционален линейным параметрам детали;

νj — коэффициент трудоемкости j-й линейной операции;

lj — суммарная длина деталей в изделии, требующих выполнения j-й операции;

K — количество операций, трудоемкость которых определяется видом, назначением, функционально-конструктивными и иными особенностями изделия, то есть тех операций, трудоемкость которых не может быть привязана к каким-то конкретным параметрам модели изделия (сборка изделия, упаковка, погрузка и т.п.) и задается эвристическим путем;

ξk — трудоемкость k-й операции предыдущего типа;

M — количество операций, учитываемых в единицах исполнения (монтаж фурнитуры, установка стандартных элементов и т.п.);

ρ_m — трудоемкость m-й операции, учитываемой в единицах исполнения;

X_m — суммарное количество элементов, реализуемых единичной или групповой m-й операцией.

В расширенном варианте интеграция экономических расчетов в конструкторско-технологический цикл изделия позволяет организовать учет так называемых невизуальных материальных компонентов изделия, то есть тех, которые явно не входят в математическую модель, но используются в технологическом процессе (клей для облицовки кромок, инструмент, абразивные материалы и т.д.). Это может быть реализовано на основе теории технологического сопутствия.

Заключение

Резюмируя вышесказанное, можно сделать следующие выводы:

• реализация всех уровней интеграции конструкторско-технологического цикла мебельных изделий в рамках комплексной САПР позволяет создать универсальный программный продукт, реализующий задачи смежных предметных областей на единой информационной базе и общей логике управления;
• исключение разрывов в потоке данных между отдельными предметно-ориентированными модулями гарантирует однозначное представление разнородных объектов и обеспечивает максимально короткие сроки выполнения конструкторско-технологического цикла.

САПР и графика 3`2008