Проблемы и принципы создания системы автоматизированного проектирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Современные достижения в области САПР

1.2 Структура и функции САПР1

1.3 Особенности безмашинного проектирования

Основы проектирования плавильных отделений литейных цехов

1.5 Предпосылки к созданию САПР литейных цехов

1.6 Цели и задачи проекта

2. Разработка программно-структурного обеспечения САПР

2.1 Автоматизированные системы проектирования смежных объектов

2.2 Основные принципы создания, структура и состав задач САПР

2.3 Программно-лингвистическое обеспечение САПР

2.4 Техническое обеспечение САПР

2.5 Методы и алгоритмы выбора и размещения объектов при проектировании; конфигурации соединений

3. Разработка подсистем системы автоматизированного проектирования плавильных отделений литейных цехов

3.1 Информационно-поисковая система

3.2 Подсистема выбора оборудования

3.3 Подсистема автоматизированного расчета оборудования

3.4 Подсистема размещения и аппроксимации оборудования

4. Расчет экономической эффективности САПР

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Республика Беларусь находится в критической точке своего развития и требуется принятие кардинальных мер, обеспечивающих переход общества на новый более высокий и совершенный уровень производства. Отставание в развитии промышленного производства РБ достигло катастрофического и стратегически опасного уровня.

Рост конкуренции на рынках сбыта заставляет промышленные предприятия сокращать продолжительность новых разработок, улучшать потребительские свойства новой техники, точно выдерживать производства и поставки.

Как показывает мировой опыт, создание и развитие на предприятиях интегрированных автоматизированных систем является долговременной стратегией промышленно-развитых государств, направленной на повышение эффективности производства. Основные преимущества интегрированных систем:

быстрое освоение производством высокоэкономичных, экологически чистых образцов новой техники и новых технологий;

повышение качества выпускаемой продукции;

снижение материальных и финансовых затрат в производстве;

повышение производительности труда.

Системы автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства являются главной составной наукоемкой частью любой интегрированной производственной среды.

Создание и внедрение на предприятиях Республики Беларусь интегрированных систем автоматизированного проектирования являются одними из определяющих факторов структурной перестройки машиностроительного производства в новых экономических условиях. Несмотря на очевидную необходимость создания в РБ интегрированных САПР, этой проблеме не уделяется должного внимания и государственной поддержки. Чисто рыночных механизмов для адекватного обеспечения научно-технического развития промышленности явно недостаточно. Предприятия сами по себе не в состоянии обеспечить адекватный современным требованиям процесс модернизации производства. Именно активной научно-технической политикой государства объясняются успехи промышленности США, Японии и стран ЕЭС.

Государственные программы в области создания и развития интегрированных производств успешно реализуются практически во всех промышленно-развитых странах. В США разработана и реализуется программа, ориентированная на создание интегрированных компьютеризированных производств в различных отраслях промышленности под названием Integrated Computer Aided Manufacturing (ICAM), в ЕЭС - European Strategic Planning for Research in Information Technology (ESPRIT). В России среди ряда межотраслевых программ, финансируемых из государственного бюджета и внебюджетных фондов, особое место занимает Государственная научно-техническая программа «Технологии, машины и производства будущего» (проблема «Компьютеризированные интегрированные производства» ). Она обеспечивает государственную поддержку создания и внедрения в промышленность пилотных проектов наукоемких высокоинтеллектуальных автоматизированных производств по выпуску важнейших видов продукции машиностроения, товаров народного потребления, сельскохозяйственной продукции, осуществляемых на базе «прорывных» технологий, современных методов и программных средств автоматизированного проектирования и управления производством. В программу включено 11 проектов по созданию компьютеризированных интегрированных производств и автоматизированных заводов в станкостроении, авиационной промышленности, электронном машиностроении, легкой промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях.

В Республике Беларусь практически не ведутся НИОКР в этой области из-за отсутствия финансирования и современной материальной базы, распадаются профессиональные коллективы, в то время как потребности предприятий в выполнении НИОКР, ориентированных на создание современных компьютеризированных производств, не удовлетворяются. На многих машиностроительных предприятиях развитие производства опережает сферу технической подготовки новых изделий, неэффективно используется современное программно-управляемое оборудование, вычислительная техника, растянуты сроки технической подготовки производства новых высокоэкономичных изделий, не удовлетворяются требования к их качеству на стадии проектирования.

Машиностроительные предприятия РБ находятся на разных стадиях подготовки к созданию и использованию САПР:

Сравнительно небольшое число предприятий (по результатам обследования не более 8%) ведут работы по созданию САПР на протяжении 10-15 и более лет, приобрели значительный опыт, располагают определенными техническими и программными средствами, имеют высококлассных специалистов-разработчиков САПР из числа конструкторов и технологов предприятия, знающих методологию проектирования и основы новой информационной технологии.

2. Несколько большее число предприятий (около 10%) пытаются создавать системы автоматизированного проектирования в области технологической подготовки производства изделий и решают отдельные проектные задачи. Однако в большинстве случаев бессистемное создание САПР не приводит к положительным результатам.

3. Абсолютное большинство предприятий ограничиваются использованием имеющейся у них вычислительной техники для выполнения расчетных и графических работ и решения простейших проектных и учетно-статистических задач.

Анализ состояния работ по созданию САПР на предприятиях РБ позволяет сделать следующие выводы:

Работы по созданию САПР запланированы на большинстве предприятий (76%). Предусматривается разработка и внедрение отдельных подсистем САПР. На некоторых предприятиях развернуты работы по созданию комплексных конструкторско-технологических САПР.

На предприятиях не созданы службы САПР. Имеющиеся на большинстве предприятий подразделения, малочисленны (3-8 чел.) и не в состоянии выполнять функции по созданию и развитию САПР.

Оснащенность предприятий техническими средствами САПР очень плохая. Графические рабочие станции имеются в незначительном количестве на отдельных предприятиях (ПО «МАЗ», ПО «АТЛАНТ», ПО «ГОРИЗОНТ» и др.). Подавляющее большинство предприятий оснащено ПЭВМ типа IBM PC AT с процессорами 286, 386, реже 486 и устаревшей вычислительной техникой отечественного производства, на которой решаются задачи преимущественно расчетного и графического характера (главным образом оформление и выпуск отдельных чертежей).

Предприятиями освоены и используются компоненты общесистемного и базового программного обеспечения западного производства. Прикладное программное обеспечение для решения многих проектных задач САПР, как правило, разработано институтом технической кибернетики совместно с сотрудниками промышленных предприятий. Бывшие отраслевые ПТНИИ и КБ прекратили работы по созданию САПР в основном из-за отсутствия средств.

Поставляемые из-за рубежа в страны СНГ программные средства носят в основном общесистемный и инструментальный характер. Стоимость зарубежных программных компонентов и счисляется сотнями тысяч долларов. Их эффективное использование на предприятиях затруднено из-за того, что в них учитывается специфика стран, в которых они создавались, а также высокая цена и закрытость программного продукта. Это затрудняет, а иногда и просто исключает возможность создания на их основе интегрированных САПР.

В рамках существующего хозяйственного механизма не удается добиться заметного эффекта от внедрения САПР на предприятиях машиностроения. В частности, не произошло радикального повышения качества и технического уровня изделий машиностроения, ускорения и снижения стоимости инженерно-конструкторских работ. Качество проектов новых машин не удовлетворяет современным требованиям. В связи с внедрением новых информационных технологий не осуществляется структурная перестройка конструкторско-технологических служб предприятий, обостряются внутренние противоречия в коллективах КБ предприятий между сторонниками традиционной и новой технологий создания и изготовления объектов новой техники.

Для решения таких сложных проблем, имеющих важное народнохозяйственное значение, требуется разработка, централизованное финансирование и координация исследований в рамках государственных научно-технических программ. (по информации АН РБ).

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1Современные достижения в области разработки САПР

Разработки в области создания систем автоматизированного проектирования как в бывшем СССР, так и за рубежом берут свое начало с середины 70-ых годов.

Самые первые исследования были связаны с автоматизацией наиболее трудоемких расчетов, встречающихся при проектировании. К этому направлению относятся работы по созданию программ для расчетов литниково-питающих систем, силовых и температурных полей напряжений в отливках и оснастке, процессов заполнения форм, затвердевания и охлаждения отливок [1].

К настоящему времени имеется большое количество, примерно -одинаковых по уровню исполнения, зарубежных и отечественных разработок в этом «технологическом» направлении, связанном теперь с функциональным компьютерным моделированием упомянутых процессов. Наиболее известными и популярными отечественными разработками являются программные пакеты ЛВМ-3, ПОЛИГОН, МАРТ и некоторые другие [2].

Система «ПОЛИГОН» (отмечена дипломом IV Европейской конференции по материалам и процессам «Восток-Запад») предназначена для моделирования процессов затвердевания, образования газо-усадочной пористости, кристаллизационных трещин и структуры металлической основы в отливках. Она обеспечивает работу в следующих режимах:

числовые расчеты питания и пористости отливки, напряжений в момент затвердевания;

тепловой экспресс расчет;

расчет металлической основы, прочности и твердости СЧ;

графическое представление результатов расчета;

стыковка данных с системой AutoCAD;

автоматическая подготовка расчетной сетки [3].

Начало 90-ых годов характеризуется исследованиями в области геометрического и графического моделирования конструкций и объектов с целью создания специальных методик и геометрических языков описания пространственных образов, программных средств ввода геометрической информации в ЭВМ, выполнение различных геометрических расчетов, развития средств машинной графики, осуществления интерактивного графического режима, построения и вывода на графические периферийные устройства аксонометрических изображений, чертежей, разработки управляющих программ для станков с ЧПУ [4].

Развитие этого направления сопровождалось созданием систем автоматизированного проектирования и изготовления изделий класса CAD/CAM. В их основу положена концепция «свободного» конструирования (free design), согласно которой конструктор создает в своем воображении конструктивный образ детали или объекта, описывает на исходном геометрическом языке и вводит в ЭВМ. При этом средства вычислительной техники реализуют вспомогательные «сервисные» проектные функции, позволяющие конструктору анализировать и корректировать созданную им конструкцию, выполнять необходимые проектные расчеты, формировать и автоматически выводить на различные графические устройства ее чертежи, разрабатывать технологический процесс и управляющие программы изготовления деталей на станках с ЧПУ [5].

В настоящее время имеются сведения об отечественной системе формирования литейного чертежа «ЛИТГРАФ», разработанной ПТИлитпромом (г. Санкт-Петербург) и соответствующей второму уровню САПР по принятой классификации. Система работает в среде AutoCAD на IBM-совместимых персональных компьютерах стандартной конфигурации. Она позволяет «обогатить» чертеж детали элементами литейной технологии и получить твердую копию необходимых чертежей [6].

В составе «ЛИТГРАФ» набрана библиотека более чем из 80 видов трехмерных параметризированных графических элементов литейной технологии, которые выбираются с помощью экранных пиктографических меню, настраиваются по размеру и месту [3].

На порядок выше находиться система автоматизированного проектирования «КАРАТ». Это совместная разработка ЦНИИ материалов, АОЗТ «ВНИИтрансмаш», ГИТМО, АОЗТ «ЭЛОРГ» позволяет реализовать полную автоматизированную цепочку технологической подготовки производства от проектирования и анализа технологии до автоматизированного получения модельного комплекта. Методом получения прототипа выбран способ послойного вырезания сечений из бумаги с помощью лазера и последующим автоматическим приклеиванием каждого слоя на «выращиваемый» объект. При этом полученная литейная модель имеет плотность и прочность большую, чем у дерева. Этот метод получил название LOM (Laminated Object Manufacturing). Сама система состоит из двух блоков. К первому относятся вопросы связанные с работой лазерной головки, установкой подачи бумаги, склеивания и т.д. Второй связан с получением компьютерной трехмерной графической модели и передачи геометрической информации в управляющую программу. «КАРАТ» имеет также, развитый интерфейс к максимальному количеству существующих программных пакетов независимо от типа используемых ЭВМ [2].

Известно что среди всех видов стержневой оснастки нагреваемая стержневая оснастка обладает наибольшей конструктивной сложностью в сочетании с относительно высокой степенью унификации, что создало предпосылки для автоматизации ее проектирования.

Среди современных наиболее сильных отечественных разработок в этой области следует отметить систему автоматизированного проектирования «ПРЕСТОЛ», разработанную НПО «Автолитпром». САПР «ПРЕСТОЛ» включает несколько подсистем выполняющих различные функции.

На основе ГОСТ 17385-72-17392-72 и ГОСТ 19933-74-19946-74, регламентирующих компоновку и конструкцию отдельных деталей УФП, в 1990 году в НГТУ был разработан программный комплекс автоматизации проектирования пресс-форм ЛПД для массового и серийного производства отливок - «Конструктор ЛПД». Комплекс является частью универсального программного обеспечения системы автоматизированного проектирования технологии ЛПД, включающей подсистема технологических расчетов, информации, конструирования отливки, проектирования оснастки и моделирования процессов, и состоит из 50 программных модулей - параметрических описаний всех типовых и стандартных деталей формы, реализованных на языке AutoLISP.

Комплекс характеризуется модульностью построения, информационной согласованностью, потенциальной возможностью развития и доступностью для освоения пользователем - то есть всеми чертами, которые типичны для специального программного обеспечения САПР на базе персональных ЭВМ. Попутно следует отметить совместную разработку НГТУ и ВНИИТСМ «СИРИУС» -- пакет программ автоматизированного проектирования оснастки для ЛКД.

В 1991 в НГТУ был разработан программный комплекс автоматизации проектирования пресс-форм для литья по выплавляемым моделям, по методу гибкой параметризации на основе ГОСТ 19947-74 и ГОСТ 1999-74. Этот программный комплекс обеспечивает получение сборочного и деталировочных чертежей и спецификаций пресс-форм. Комплекс состоит более чем из 30 программных модулей реализованных на языке AutoLISP [3].

В этом «конструкторском» направлении автоматизированного проектирования отставание от уровня зарубежных разработок весьма существенно. К середине 90-ых гг. известно более 25 серьезных зарубежных разработок, созданных на основе выше описанного подхода, среди которых можно выделить ниже следующие.

Система COMVAR. Основной целью ее создания было автоматическое изготовление рабочих чертежей с максимальным использованием стандартов. Эта система состоит из десяти программных модулей и применяется в сочетании с техническими средствами, состоящими из графического дисплея и планшета.

Система EUCLID. Эта система фирмы «Марта дэйтвижин» является двух- и трехмерной САПР. Она позволяет не только генерировать трехмерные поверхности, но и обрабатывать объемные элементы, обладающие свойствами тел. Это значит, что каждый раз можно решить занято ли пространство материалом или нет. Эта информация гарантирует автоматическое выполнение многих функций, которые в противном случае дали бы результаты только при условии ввода дополнительной информации со стороны пользователя. Помимо трехмерного, графически-интерактивного моделирования система применяется для создания любых пространственных изображений или чертежей с размерами, для расчета геометрических и физических параметров (свойств), для определения перемещения (траекторий) инструмента и для разработки управляющих команд ЧПУ [5].

Важной областью применения двумерного схематического описания являются разработка и конструирование монтажных электрических схем. Конструирование цепи электропроводов и составление спецификаций - это вид работы, который легко поддается формализации. Использование для этого ЭВМ становится очевидным. Для проектирования и конструирования электроприводных цепей разработана система RAFAELE.

Трехмерное описание деталей, с одной стороны, служит для последующего детального конструирования и изготовления чертежей, а с другой - помогает конструктору произвести пространственную компоновку агрегатов, решить сложные вопросы сборки, промоделировать движения, определить истинные расстояния в пространстве. Всестороннее и подробное математическое описание поверхности детали позволяет провести более точное исследование сборочно-монтажных проблем, при этом все необходимые исследования по определению расстояния между соседними деталями проводятся непосредственным вычислением или геометрически с помощью разрезов соответствующих деталей. Для решения таких задач используются системы: DUCT (Кембриджский ун-т), JAPAX, PENTAX и SMDS (Япония), OLMSTED (США), ORP II (фирма Оveran Metal, Голландия) и др. Все эти системы различаются методами моделирования пространственных образов и составом выполняемых функций [7].

Направление геометрического моделирования разрабатывается с начала 90-ых и приобретает все большую популярность, преимущественно на западе. Это такие системы как CADAM разработанная фирмой «Локхид» и STEERDEAR HULL 3. А также довольно известная система AUTOKON и т.п. Эти системы ориентированны на дорогостоящие рабочие станции и ЭВМ высокого уровня с большим объемом оперативной памяти [8].

На территории бывшего СССР наблюдается существенное отставание от зарубежных разработок, как правило из-за низкого уровня технического обеспечения. Большинство современных отечественных разработок широко распространенных в проектных подразделениях машиностроительных предприятий, выполнены в виде проблемно ориентированных надстроек к базовым графическим системам общего назначения типа AutoCAD или ДРАГОН [3].

Большинство предприятий, заинтересованных в работах по автоматизации процессов проектирования, не имеют возможности приобрести дорогостоящую технику и известные зарубежные системы CAD/CAM. Однако многие обладают значительным парком персональных компьютеров, знакомы с базовой системой AutoCAD. Поэтому организации, активно занимающиеся проблемами автоматизации проектирования, вынуждены разрабатывать относительно не дорогие системы узкой специализации, адаптированные именно под эти условия. Разработчики САПР идут более быстрым, легким и экономически оправданным путем. Компьютеризация проектной деятельности, на большинстве предприятий, осуществляется путем последовательного расширения существующих систем, наращивания их программного обеспечения, объединения с другими системами при сохранении автономной модульности [6].

Созданием глобальной системы автоматизированного проектирования для отечественного машиностроения такой, как САПР литейных цехов (на основе уже существующих ГОСТ, ОСТ, РТМ, СТП и тому подобной документации, необходимой при проведении проектных работ) пока никто не занимается. Однако предпосылки к созданию такой системы уже есть. В литературе же находятся сведения, пока только об одной зарубежной разработке такого рода. Концерн «Митсубиси» разработал САПР литейного цеха, состоящую из 20 подсистем, включающих в себя более 300 программ различной сложности.

Функции и структура САПР

Основная функция САПР - осуществление автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей на основе применения математических и других моделей, автоматизированных проектных процедур и средств вычислительной техники.

Автоматизированное проектирование заключается в том, что отдельные преобразования описаний на различных языках осуществляется путем взаимодействия человека и ЭВМ. В САПР могут осуществляется процедуры автоматического проектирования, при которых преобразование и представление описаний объекта проектирования выполняются без участия человека. Функционирование САПР должно обеспечивать получение проектных решений, то есть промежуточных или конечных описаний объекта проектирования, достаточных для дальнейшего рассмотрения или окончания процесса. Результатом проектирования в САПР является совокупность законченных проектных решений, удовлетворяющая заданным требованиям, необходимых для создания объекта проектирования. Функционирование САПР должно обеспечивать получение проектных документов, выполненных в заданной форме и содержащих проектные решения или результаты проектирования [1].

Составными структурными частями САПР являются подсистемы, обладающие всеми свойствами системы и создаваемые как самостоятельные системы (ГОСТ 234501.0-79). По назначению подсистемы САПР разделяют на два вида: проектирующие и обслуживающие. Проектирующие подсистемы выполняют проектные процедуры и операции, например: подсистема проектирования деталей и сборочных единиц; подсистема технологического проектирования; подсистема проектирования частей зданий и сооружений. Обслуживающие подсистемы предназначены для поддержания работоспособности проектирующих подсистем, например: подсистема документирования; подсистема информационного поиска [9].

В зависимости от отношения к объекту проектирования различают два вида проектирующих подсистем: объектно-ориентированные (объектные) и объектно-независимые (инвариантные). Объектные подсистемы выполняют одну или несколько проектных процедур или операций, непосредственно зависимых от конкретного объекта проектирования. Инвариантные подсистемы выполняют унифицированные проектные процедуры и операции.

Подсистема состоит из компонентов САПР объединенных общей для данной подсистемы целевой функцией и обеспечивающих функционирование этой подсистемы. Компонент представляет собой элемент обеспечения выполняющий определенную функцию в подсистеме [5].

В структуре САПР ЛП можно выделить два крупных блока:

Блок синтеза технологических параметров. Наиболее важные подсистемы этого блока следующие:

Система индивидуального проектирования (СИП), позволяющая в автоматизированном режиме формировать литейную технологию, используя различные расчетные задачи, использующие упрощенные аналитические и статистические модели.

Система типового проектирования (СТП), позволяющая в автоматизированном режиме формировать статистические модели для генерации технологических параметров и использовать эти модели для получения литейной технологии, включая документацию, эскизы, некоторые экономические параметры и т.д., что возможно только в пределах некоторого типажа, для которого собрана статистика и синтезирована модель.

Блок анализа. Ядром такого блока является какая-нибудь САМ, которая может функционировать независимо от остальных подсистем и в одиночку обеспечивать решение ряда технологических задач. Однако имеется ряда модулей, не входящих собственно в САМ, а ориентированных на непосредственную поддержку задач блока синтеза и позволяющих технологу проводить приближенный анализ в облегченном варианте [2].

Анализ структуры САПР позволяет сделать вывод, что структурное единство подсистемы САПР обеспечивается связями между компонентами различных средств обеспечения САПР, образующими подсистему, а структурное объединение подсистем в систему - связями между компонентами САПР, входящими в подсистемы. [1].

1.3 Особенности «ручного» проектирования

проектирование соединение автоматизированный система

Основной задачей проектирования является разработка прогрессивного проекта, позволяющего создать наиболее передовое по техническому уровню и экономичное в эксплуатации предприятие при наименьшей стоимости строительства [10]. Важное значение имеют обстоятельства, учитывающие человеческий фактор, наличие в регионе материальных и энергетических ресурсов, вопросы экологии и т.д.

Традиционное «ручное» проектирование разбивают, как правило, на 2-3 важнейших этапа, итогом которых являются чертежи и полное технико-экономическое описание будущего цеха (отделения). Исходными данными для проектирования являются пункты задания, включающие данные конструктивного и организационного характера. На основании этих данных разрабатывается проектное задание и производится сметно-финансовый расчет. Последние являются основанием для разработки технического проекта, состоящего из технологической, транспортной, строительной, энергетической, сантехнической и экономической частей. Затем по перечисленным частям технического проекта выполняются рабочие чертежи будущего отделения (цеха) [10].

Основными факторами, влияющими на качество проекта являются технологическая дисциплина исполнителей, техническая и организационная обеспеченность процесса проектирования. Важное значение для обеспечения качественного проектирования в минимальные сроки имеет правильное выделение этапов проектирования. Первый вариант такого выделения связан с привязкой этапов проектирования к элементам проектируемой системы и разработкой частей технического проекта.

На каждом этапе решаются вопросы проектирования, существенно отличающиеся как перечнем выполняемых работ, так и исполнителями. Однако такое выделение этапов не удачно с точки зрения возможностей автоматизации, так как в этом случае процесс проектирования на всех этапах содержит много сходных работ: подготовка и выдача задания на проектирование участков и служб, систем снабжения и т.д.; определение потребляемой мощности и расхода электроэнергии, тепла, газа, воды и др. Затем разработка технологии и соответствующей технологической документации; расчет количества оборудования; выбор оборудования; расчет площадей основных и вспомогательных участков и служб. Составление компоновочных планов, проработка схемы производственной взаимосвязи отделений и участков и разработка планов расположения оборудования. В заключение - составление графической документации, пояснительных записок, смет, расчет параметров систем снабжения, которые целесообразно организовывать в рамках своих подсистем, общих для различных этапов первого варианта выделения.

Второй вариант учитывает такую последовательность [11]:выбор технологии производства, выбор и расчет оборудования, компоновка и размещение оборудования; проектирование связей между элементами оборудования и подводящими коммуникациями; изготовление конструкторско-технологической документации.

Данный вариант более гибок и универсален, т.к. может быть применен при разработке любого из отдельных этапов первого варианта, свойственного традиционному проектированию.

«Ручное» проектирование на сегодняшний день исчерпало себя. Анализ принципов и норм проектирования, практически не изменившихся за последние десятилетия, позволяет сделать вывод, что процесс связан с

лавинным увеличением объема счетной работы и многочисленных согласований [12].

Проектирование новых цехов или предприятий выполняют специализированные проектные институты. При реконструкции, особенно если степень последней невелика, а специализированные институты, пользующиеся безмашинным проектированием не в состоянии обеспечить быстроту и невысокую стоимость решения таких задач, предприятия вынуждены обходиться своими силами, что снижает качество проектов. В то же время на предприятиях, в связи с совершенствованием производства, вопросы реконструкции особенно частичной, связанной с заменой оборудования на более совершенное, будут все более актуальными.

Проблемы, которые необходимо преодолеть в процессе создания проекта реконструкции отделения, цеха или предприятия в целом, аналогичны проблемам проектирования нового предприятия. Но имеется ряд особенностей [11].

Во-первых, при замене устаревшего оборудования проектные разработки необходимо провести в минимальные сроки. Поэтому при частичной реконструкции общие проектные проработки, как правило, не выполняются. В результате замена оборудования может привести к ухудшению технических характеристик цеха, вплоть до аварийных ситуаций.

Во-вторых, при реконструкции или техническом перевооружении предприятия проектирование необходимо выполнять с учетом действующего цеха, размещения его оборудования, коммуникаций и т.д., что может существенно удешевить работы.

Основы проектирования плавильных отделений

Проектирование плавильного отделения литейных цехов заключается в следующем:

составление баланса металла и ведомости шихт;

выбор типа и расчет количества плавильных агрегатов;

выбор типов и количества сопутствующего оборудования;

составление ведомости основных и вспомогательных материалов;

планировка участка.

Основными исходными данными для проектирования являются: годовая производственная программа, чертежи, спецификации и технические условия на литые изделия, а так же нормы технологического проектирования [13].

Проектирование начинается с определения и анализа характера производства (массовое, крупно серийное, серийное и т.д.), развеса отливок (деление на весовые группы), количества шихт, режима работы участка (количество смен), характера технологического процесса плавки.

После проведения такого анализа составляется баланс металла и ведомость шихт. Составление начинается с расчета металлозавалки на годовую программу цеха.

В массовом производстве (при постоянной номенклатуре отливок) расход металла определяется по детальным расчетом по данным годовой программы цеха. Общий вес металлозавалки является суммой веса потребного количества жидкого металла и весов безвозвратных потерь и угара, которые даются в процентах от веса металлозавалки; формула 1 [14]:

;

где - вес металлозавалки, т;

- вес жидкого металла, т;

и - проценты угара и безвозвратных потерь.

Проценты угара и безвозвратных потерь зависят от типа печей, марки металла, технологического процесса плавки и разливки жидкого металла и берутся из каждодневной практики и технической характеристики плавильных агрегатов.

Вес жидкого металла складывается из весов годных отливок, бракованных отливок и веса литников и прибылей. Вес бракованных отливок (с учетом веса металла затраченного на их литники и прибыли) зависит от характера литья, рода металла и технологии производства. Процент брака принимается по опыту работы базового цеха.

В мелкосерийном и индивидуальном производстве с большой номенклатурой отливок при отсутствии подетально разработанной технологии изготовления отливок, потребность в металлозавалке определяется укрупненным расчетом.

Основным показателем при таком расчете является выход годных отливок, который зависит от рода металла отрасли машиностроения, характера литья (мелкое, среднее, крупное...). При таком расчете программа годового выпуска разбивается на весовые группы согласно таблице 1.1[14].

Потребность металлозавлки определяется по каждой весовой группе. Выход годного литья для каждой весовой группы различен и определяется по таблице 4.70 [14].

Вес металлозавалки каждой группы определяется по формуле 2[14]:

;

где - вес годного литья на программу по весовой группе, т;

K - выход годного литья по данной весовой группе, %.

Общий вес металлозавалки определяется по формуле 3[14]:

Для расчета потребного количества плавильных агрегатов составляется ведомость расчета металлозавалки по маркам металла (таблица 4.71) [14]. Вес металлозавлки в таблице 4.71 складывается из веса жидкого металла и веса угара и безвозвратных потерь.

Состав и количество шихтовых материалов на основании ведомости шихт и баланса металла (таблица 4.72). В ведомости шихт и баланса металла содержатся данные о составе металлической шихты по каждой марке выплавляемого металла с разделением шихтовых материалов по сортам и маркам, с указанием количества отходов и количества годного литья.

Баланс металла имеет большое техническое и экономическое значение. От него зависят расход металла, себестоимость изготовления отливок и себестоимость жидкого металла [14]. Такие показатели как угар, выход годного, расход металла на литники и прибыли характеризуют технологический уровень производства. Угар - рациональность ведения плавки; брак - характеризует соблюдение всей технологии производства. И баланс металла и ведомость шихт требуют соблюдения двух условий:

сумма балансов должна составлять 100%;

статья «собственные отходы» содержать сумму статей «расход металла на литники и прибыли» и «брак» [15].

Расчет плавильного оборудования начинается с выбора способа плавки. При выборе способа плавки необходимо учитывать ряд факторов:

вид и требуемое качество сплава;

доступность энергоресурсов в данном регионе;

возможность снабжения шихтовыми материалами;

условия труда;

влияние на окружающую среду;

особенности производства [14].

Чугунное литье. В чугунолитейном производстве универсальным плавильным агрегатом все еще остается вагранка, или как самостоятельная печь, или вагранка в сочетании с электрической печью (дуплекс-процесс). Вагранки могут быть: коксовые, коксогазовые, газовые; открытые, полуоткрытые, закрытого типа; с подогревом дутья и без подогрева, а также различаются по виду и количеству фурм [13].

Наиболее предпочтительным является выбор газовой вагранки закрытого типа, так как она является наиболее перспективной для плавки чугуна. В ней можно получать чугун требуемого химического состава без удорожания шихты, со свойствами, соответствующими любой марке СЧ, а также модифицированный и легированный чугуны. Перспективность применения газовых вагранок можно оценить по мировым ценам на материалы и энергию. Во всем мире наиболее дешевым является стальной лом. Поэтому, по уровню затрат на шихтовые материалы газовые вагранки вполне конкурентно способны. И по энергозатратам они перспективны - сравнение цен на газ и на кокс - в пользу газа. При использовании газовых вагранок фактически отсутствуют источники загрязнения окружающей среды [16].

Использование других типов вагранок сопряжено с соблюдением таких условий как: интенсификация плавки; водяное охлаждение горна; грануляция шлака и его механизированная уборка; комплексная механизация; система дожигания газов и наличие эффективных систем пыле газоочистки. При использовании кокса предусматривают системы его подачи в расходные бункера. Следует применять схемы без участия грейферов (они дробят кокс). Предусматривают площадку для утилизации и возврата коксовой мелочи [15].

Количество вагранок и их производительность выбирают исходя из часовой потребности в жидком металле и средней металлоемкости заливаемых форм. Поэтому работу вагранок обязательно согласовывают с работой формовочного отделения [14].

Плавка чугуна в индукционных печах промышленной частоты, при наличии высокотемпературного перегрева, имеет широкое распространение и ряд преимуществ: возможность перегрева чугуна в широком интервале температур; возможность осуществлять более глубокую металлургическую обработку расплава; выдерживать заданный химический состав; возможность переплава не брикетированной стружки (до 40% от завалки); возможность использования тонкого листового железа [14].

Кроме ваграночного дуплекс-процесса применяют и другие виды дуплекс-процессов: индукционная тигельная печь - индукционная канальная печь, дуговая печь - индукционная печь и др. [13].

Стальное литье. В фасонолитейном производстве в качестве плавильных агрегатов используют, главным образом, электрические плавильные печи, в том числе дуговые типа СДП и ДСН и индукционные тигельные печи промышленной частоты типа ИСТ. Дуговые печи обеспечивают быстрое ведение плавки. Гибки в работе.

В последнее время, все шире для выплавки стали применяются электродуговые печи постоянного тока. Они более производительны и обладают рядом технологических, экономических и экологических преимуществ, по сравнению с печами переменного тока. Таки печи позволяют снизить расход графитовых электродов, угар шихтовых и легирующих материалов, уровень шума, пылегазовыбросы, удельный расход электроэнергии [17].

Для увеличения производительности может применяться кислородное дутье. Применяется и кислородно-конверторный процесс. Имеет место дуплекс-процесс: вагранка горячего дутья - кислородный конвертор. По данным зарубежных фирм, заводская себестоимость 1т жидкой стали, выплавляемой в кислородном конвертере, приблизительно в 1.5 раза ниже себестоимость электростали [13].

Цветное литье. В действующих цехах цветного литья наряду с электрическими печами используются топливные (газовые и мазутные), тигельные и отражательные плавильные печи поворотного и стационарного типов.

При проектировании новых цехов цветного литья предпочтение отдается электрическим печам, особенно индукционным тигельного и канального типов промышленной частоты. Печи этого типа применяют для плавки алюминиевых, магниевых, цинковых сплавов, а так же сплавов на медной основе [18].

Как уже упоминалось ранее расчет количества оборудования ведется на основании составляемого баланса металла, с учетом распределения отливок по отдельным участкам и поточным линиям. Необходимая производительность плавильных агрегатов определяется исходя из часовой потребности в жидком металле. Количество печей определяется по формулам приведенным в [12,14]:

,

где B - потребное количество жидкого металла, т/год;

- коэффициент неравномерности потребления металла;

- действительный фонд времени работы печи, ч/год;

- производительность печи, т/ч.

Для индукционных печей действительная производительность (если она не указана в каталогах оборудования) принимается в среднем 85% от теоретической [15]. Коэффициент неравномерности потребления металла определяется характером производства цеха и принимается по рекомендациям [13,14,15].

Рассчитанное количество плавильных агрегатов делят на принимаемое целое число и получают коэффициент загрузки оборудования

Коэффициент загрузки принятого к установке основного оборудования должен быть в пределах 0.7 - 0.85, но не превышать коэффициента загрузки формовочного оборудования [13].

Удельный расход топлива, основных и вспомогательных материалов. Удельный расход технологической энергии, электродов для плавки и выдержки сплавов в электропечах и раздаточных миксерах и воды на их охлаждение, а также ориентировочный удельный расход металлической шихты, флюсов, огнеупорных материалов и топлива для плавки черных сплавов определяется по справочным таблицам и рекомендациям изложенным в методиках расчета литейных цехов [13,14,15]. Или же рассчитываются по показателям приведенным в технических характеристиках оборудования из расчета на тонну жидкого металла или в процентах от металлической шихты.

Данные удельного расхода материалов уточняют и приводят в соответствие с принятыми технологическими процессами плавки и типами плавильных агрегатов [13].

Основные параметры зданий, транспортные средства, схемы установок плавильного оборудования. Основой объемно-планировочного решения является технологическая схема отделения (цеха), определяемая его назначением, составом, мощностью; в ней учитывается принятый технологический процесс и средства внутрицехового транспорта. В соответствии с этой схемой разрабатывают основные архитектурные решения здания, определяющие размеры, этажность, размеры пролетов и размещение производственных, вспомогательных и административно-бытовых помещений.

На это решение оказывает влияние выбор основных несущих строительных конструкций здания, а также принципиальная схема вентиляции, освещения и других коммуникаций [14].

При выборе основных параметров зданий следует придерживаться рекомендаций изложенных в источниках [13,14,15]. В таблицах даны минимально необходимые размеры плавильных пролетов, которые могут быть скорректированы с учетом объемно-строительного решения здания литейного цеха в целом. Кроме того, при разработке рабочих чертежей некоторые параметры здания уточняют, что связано с главным образом с изменением габаритных размеров и конструкций приобретаемого плавильного и транспортного оборудования в сравнении с ранее выпускаемыми.

Ширину плавильных пролетов принимают 18, 24, 30 и 36 м. Последние две цифры относятся к пролетам, оснащенным высоко производительным оборудованием для дуплекс-процесса. Сетка колонна первом этаже двух этажных плавильных пролетов зависит от их ширины и должна быть равной м и как исключение, м; по второму этажу - соответственно и м. По технологическим соображениям желательно иметь наибольший шаг колонн. Однако в этом случае резко повышается нагрузка и стоимость конструкций перекрытий второго этажа. Поэтому окончательное решение о шаге колонн принимают технологи совместно со строителями [13].

При использовании дуплекс-процесса электромиксеры рекомендуется располагать рядом с плавильными печами, обеспечивая непосредственную подачу жидкого чугуна из печей в миксеры по желобам. В этом случае исключается задолженность мостовых кранов, крановщиков и рабочих по обслуживанию перелива металла из печей в миксеры. И, что особенно важно, такое размещение исключает дополнительное загрязнение жидкого чугуна неметаллическими включениями. Электромиксеры желательно устанавливать емкостью не менее двух часовой производительности плавильных агрегатов. При таких условиях обеспечивается усредненное постоянство химического состава и температуры металла, выдаваемого на заливку. Рекомендуется монтировать миксеры на весовые датчики, что позволяет непрерывно регистрировать количество поступающего в миксер и выдаваемого им на заливку жидкого чугуна.

Расчет потребного количества мостовых кранов по их удельной загрузке ведут по смене с максимальным выпуском жидкого металла. Для двух и более печей с емкостью выше 6т при одном расчетном кране, дополнительно предусматривают резервный кран той же характеристики. Коэффициент загрузки мостовых кранов принимается в пределах 0.7-0.85. Укрупненным проверочным расчетом принятого количества кранов может служить норма обслуживания краном длины плавильного отделения, которая соответствует 30-50 м.

При проектировании плавильных отделений не следует забывать о площадях, потребных для размещения вспомогательного и сопутствующего оборудования (стенды для сушки и ремонта ковшей, набивки сводов и др.), которое является составной частью плавильных агрегатов. К такому оборудованию относят например, шихтовальное устройство при ваграночном процессе, трансформаторные подстанции дуговых электропечей и т.д. Это оборудование часто занимает площади, равнозначные площадям, отведенным для собственно плавильных пролетов [13].

Предпосылки к созданию САПР литейных цехов

Традиционные эмпирические методы проектирования литейных цехов, в том числе с применением типовых проектных разработок и аналогов, не обеспечивают выбора оптимального технико-экономического варианта производства отливок.

В основах проектирования ЛЦ, систематизированных и изложенных в работах Л.И. Фанталова, Д.П. Иванова, В.М. Шестопала, Б.В. Кнорре, Г.Ф.Баландина и других отечественных и зарубежных ученых, предопределена необходимость применения ЭВМ для решения этой задачи. Сложность и многофакторность проектных решений при расчете и выборе наиболее рациональных вариантов технологии изготовления отливок, обусловили необходимость составления экономико-математических моделей по отдельным производственно-технологическим участкам литейных цехов.

В целях выполнения этой задачи разработана и совершенствуется методика проведения расчетов проектных мощностей литейных цехов с использованием ЭВМ, позволяющая найти наиболее рациональную схему производства отливок в соответствии с их номенклатурой и серийность выпуска по критериям минимальной стоимости и максимальной производительности, которая может являться составным элементом системы автоматизированного проектирования технологических процессов литейного производства (САПР ТП ЛП).

Для ее реализации на ЭВМ были разработаны структурные схемы поэтапного решения в виде отдельных задач, систем информационного обеспечения, формирования баз данных исходных материалов и оборудования, математического обеспечения для расчета потребности в оборудовании, материалах, производственных площадях.

Экономико-математические модели составлены на основе проектно-технологического расчета. В соответствии с ней, исходным документом для расчета схемы плавильного отделения является производственная программа, сортамент сплавов, который определен по конструкторской документации на изделия машиностроения. В проектно-технологические параметры входят нормативно-справочные сведения о материалах и оборудовании.

Расчетные параметры включили в себя математическое описание расчета потребности в шихтовых и футеровочных материалах, плавильном оборудовании, емкостях для транспортировки жидкого металла и производственных площадях, алгоритмы программы и результата расчетов [19].

Оценка вариантов структуры и параметров производства при проектировании и реконструкции цехов (отделений) на основе знания характеристик отдельных агрегатов без анализа их взаимодействия и учета влияния отдельных факторов на динамику функционирования оборудования и системы в целом, может привести к глубоким просчетам. Так, например, потенциальные возможности АФЛ из-за постоев реализуются на 50-60%, а работой АФЛ, как известно, формируется потребность в жидком металле, то есть работа плавильного отделения [20].

Литейный цех (ЛЦ) - это сложная производственная и технологическая система, эффективность функционирования которой определяется взаимодействием обеспечивающей и управляющей подсистем. Максимальное использование производственных мощностей - одна из актуальных научных и производственных задач. Использование ЭВМ и математических методов позволяет значительно повысить эффективность ее решения. Современный ЛЦ - это система большой размерности, поэтому его исследование должно базироваться на системном подходе. Решение задачи проектирования и эксплуатации ЛЦ - это определение зависимости количества и качества отливок от структуры подсистем ЛЦ, параметров оборудования, входящих в их состав, надежности подсистем. Ввиду большого количества переменных структурного и параметрического характера, ЛЦ надо рассматривать на уровне подсистем и описывать с помощью общей математической модели (ММ), представляющей собой композицию локальных моделей ,связь между которыми описывается с помощью графической схемы [21].

При исследовании наибольший интерес представляют литейные системы следующих уровней: ЛЦ как единое целое; смесеприготовительная и плавильная системы, автоматическая или поточная линия, система финишной обработки; плавильная печь, формовочный автомат, т.е. единица литейного оборудования.

Таким образом ЛЦ - единая система которая может быть представлена в виде взаимосвязанных подсистем, и для нее должны быть созданы информационно-аналитические ММ.

Особо важной задачей является выбор математического аппарата для создания моделей, которые имеют большое количество структурных и параметрических переменных.

Из используемых в настоящее время аналитических методов для моделирования работы литейных систем в наибольшей степени подходит метод вероятностных автоматов. Он относится к классу динамических систем и позволяет иметь минимальное математическое описание, полно отражающие процессы, протекающие в технологических системах литейного цеха.

Вероятностный автомат представляет собой абстрактный преобразователь информации. При его использовании необходим следующий минимальный набор характеристик: входной и выходной алфавиты; функция описывающая внутреннее состояние агрегата; функция перехода, описывающая изменение внутреннего состояния автомата с течением времени; функция входа-выхода, определяющая сигнал в зависимости от алфавита и внутреннего состояния автомата в данный момент времени.

При моделировании сложной системы с помощью вероятностных автоматов выходной сигнал одного автомата служит входным для другого. Основным достоинством использования такого математического аппарата является то, что с его помощью можно увязать технологические параметры с надежностью работы оборудования.

Целью разработки имитационного алгоритма моделирования является определение показателей эффективности работ ЛЦ, к которым относятся количество и качество выпускаемых отливок, в зависимости от исходных материалов, состояния оборудования, характеристик номенклатуры получаемых отливок, показателей надежности отдельных подсистем цеха.

Предложенная методика позволяет различные варианты организационно-технических решений и алгоритмы оперативного управления производством, используя аналитические исследования взаимосвязей технологических параметров подсистем с эксплуатационными показателями работы оборудования, что снижает степень риска при реализации новых проектных решений, реконструкции производства, освоении новых производственных заказов. Кроме этого на этапе эксплуатации возможно выявить «узкие» места в технологической цепочке оборудования и оценить влияние различных факторов на процесс ее функционирования, повысить надежность за счет структурной и параметрической параметризации [20].

Размещение оборудования представляет собой один из этапов проектирования литейных цехов, а система автоматизированного размещения - соответствующую подсистему общей САПР. При этом исходными данными для подсистемы являются результаты работы пакетов программ расчета и выбора оборудования, инженерно-строительной подготовки производства, а также ручной подготовки информации о связях между видами оборудования. Под связями в ЛЦ понимают металлические потоки (шихта, жидкий металл, отливки), неметаллические потоки (песок, связующие, формовочные и стержневые смеси, стержни, формы), энергетические потоки (электроэнергия, топливо, технологические жидкости и газы под давлением).