2.3. Сравнительный анализ ручного и машинного методов проектирования
При автоматизации любого процесса инженерного проектирования разработчику алгоритма необходимо решать две основные задачи. Первая связана с необходимостью формализации этого процесса, вторая — с разработкой системы описания и представления исходной информации (иногда эту систему именуют входным языком алгоритма). Чем больше в алгоритмизируемом процессе творческих элементов, опыта, интуиции, тем сложнее формализация. Чем сложнее деталь, разнообразнее ее конфигурация, тем сложнее решаются вопросы, связанные с ее описанием, как при организации исходной информации, так и разработке алгоритма.
В области инструментального проектирования эти задачи несколько упрощаются. Проектируемый инструмент, профиль его режущей части, как правило, четко ориентируются на обработку деталей определенного класса. Конструкция их достаточно хорошо описывается. Расчет инструмента для обработки деталей с фасонными, нестандартными профилями сложнее.
В основном формализация процесса инструментального проектирования основывается на использовании расчетных зависимостей, поэтому с точки зрения алгоритмизации проектирования инструмента является весьма удобным объектом автоматизации.
Однако для перевода задачи на ЭВМ недостаточно переложить на язык машины существующие аналитические способы расчета. Ручное и машинное проектирование — процессы далеко не адекватные. Они различаются восприятием и переработкой исходной информации, требованиями к собственной методике расчета и самому построению вычислительного процесса.
Под ручным (неавтоматизированным) проектированием будем понимать существующие традиционные методы проектирования без применения ЭВМ. Машинный (автоматизированный) метод — это расчет на ЭВМ с помощью специально разработанных программ, поскольку машинный метод проектирования разрабатывается на основе методик ручного расчета инструмента, он является более широким по сравнению с ручным. Ручная методика используется как некоторый исходный материал при составлении алгоритма. Однако существующие методики разрабатывались таким образом, чтобы максимально упростить задачу конструктору-инструментальщику. С этой целью, во-первых, рассматривалась упрощенная схема формообразования инструментом поверхности детали. Например, пространственное зацепление инструмента и детали заменялось чаще всего плоским. Во-вторых, упрощались собственно расчетные зависимости, чтобы избежать громоздких вычислений, трансцендентности выражений, производных и т. п. Для этого некоторыми величинами, малыми по значению, пренебрегали и т. д. В-третьих, вместо сложных детерминированных зависимостей вводились эмпирические соотношения и рекомендации. Ориентированные на одну, определенную группу деталей, они не всегда оказывались правильными для всего класса деталей. В-четвертых, в большом объеме использовались справочные таблицы, графики.
Благодаря этому удалось разработать довольно строгий, последовательный порядок расчета, своего рода формуляр, пользуясь которым в производственных условиях в приемлемые сроки, можно получить удовлетворительное решение.
Однако при ручном проектировании не исключены ошибки, связанные с утомлением проектировщика, неточности при вычислении тригонометрических функций, даже если используется малая вычислительная техника (арифмометры, малые электронные клавишные и т. п.). ЭВМ, конечно, исключает ошибки такого рода. Однако и точно проведенный расчет не дает уверенности в том, что инструмент обеспечит правильные условия обработки детали. Это имеет место, когда ручная методика вследствие упрощения в некоторых случаях оказывается неточной. В результате инструмент при изготовлении может потребовать доработки или вообще оказаться негодным. Но даже если спроектированный инструмент и окажется годным, далеко не всегда конструктор-инструментальщик (по ряду причин) может быть уверен в том, что принятый им вариант конструкции является оптимальным.
Первая причина заключается в том, что ручные методики обычно предполагают одновариантную схему расчета. Вторая причина кроется во множестве факторов, влияющих на выбор того или иного параметра инструмента или всего решения целиком. Этих факторов иногда настолько много и они так противоречивы, что конструктор вынужден прибегать к варианту решения, оптимальность которого неочевидна. Быстродействие машинного проектирования позволяет рассматривать все варианты задачи и выбирать из них лучший по некоторому критерию оптимальности. Таким образом, рассчитанная на ЭВМ конструкция инструмента может и должна обеспечить не только правильное изготовление детали, но и иметь оптимальные геометрические и конструктивные элементы.
Ручные методики — специфические и предназначены для решения только определенной узкой задачи. При некотором ее изменении приходится перерабатывать, иногда коренным образом, расчетные зависимости. Специфичность методики, являясь достоинством ручного проектирования, оборачивается негативной стороной при использовании ЭВМ. Чем методика универсальнее, тем большее количество различающихся по характеру инструментальных задач можно охватить одним алгоритмом и повысить частоту использования соответствующей программы. Тем самым создается и больше возможностей для выделения общих расчетных блоков в различных по назначению вычислительных процессах. Например, при автоматизации проектирования шлицевых фрез валики с остроугольными и прямобочными шлицами целесообразно объединить в одну группу, а эвольвентные шлицы — в группу с эвольвентными зубьями. Для шлицевых протяжек целесообразно разрабатывать универсальный алгоритм, позволяющий рассчитывать протяжки для обработки прямобочных, остроугольных и эвольвентных шлиц. При расчете конструктивных параметров червячных и дисковых фрез можно разработать два соответствующих блока, различающихся по содержанию и учитывающих специфику каждого инструмента. Квалифицированный специалист постарается найти общую закономерность, выражающуюся, хотя и более сложными зависимостями, но справедливую для обоих случаев. Это даст возможность разработать один общий блок расчета конструктивных параметров как дисковых, так и червячных фрез.
Конечно, любое усложнение методики, равно как и алгоритма, должно оправдываться логикой вычислительного процесса. Простое механическое сложение двух разнородных процессов является неоправданным и неэффективным.
На основании сказанного можно сформулировать основные требования к методике расчета инструмента, которая используется как основа для построения алгоритма.
Методика должна быть строго аналитической. Различные графические построения исключаются. Таблицы, графики должны быть сведены до минимума.
Методика должна быть точной, отражать современный уровень теории и практики. Упрощенные и приближенные методики использовать нецелесообразно.
Функциональные связи параметров инструмента и детали должны основываться на точных объективных зависимостях. Эмпирические соотношения должны быть сведены до минимума.
Методика должна быть универсальной, охватывать общие случаи проектирования инструмента данного вида.
Методика должна строиться на основе использования машинно-математического моделирования с оптимизацией получаемых проектных решений.
Все это позволяет наиболее эффективно использовать ЭВМ при проектировании режущего инструмента. На рис. 2.2 приведена структура эффективности, достигаемой при автоматизации проектирования. Для различных инструментов соотношение структурных составляющих различно. Не на всех стадиях машинного проектирования инструмента экономическая эффективность поддается количественной оценке. Опыт по эксплуатации программ проектирования свидетельствует о сокращении времени на проектирование в 20...60 раз, повышении стойкости инструмента в 1,1...1,2 раза. Но все же основным моментом автоматизации проектирования инструмента следует считать качественное изменение труда конструктора-инструментальщика. При проектировании приходится выполнять большое количество операций, являющихся рутинными. Применение ЭВМ ликвидирует нетворческие этапы, но не освобождает конструктора от задачи проектирования инструментов вообще. На рабочем чертеже инструмента всегда будет стоять подпись специалиста, ответственного за его выпуск. За человеком останутся также неформализуемые творческие процессы: выбор схемы формообразования, типа инструмента, принципиальных его особенностей, общая оценка полученной на ЭВМ конструкции.
Кроме этого, и сам алгоритм нельзя рассматривать как нечто застывшее, неизменяемое. Развивается наука о резании металлов, совершенствуется и инструмент, т. е. усложняются имеющиеся задачи и выдвигаются новые. Все это требует от специалистов-инструментальщиков умения ориентироваться в алгоритмах, вносить изменения, дополнения и т. п. В связи с этим, несмотря на сравнительную простоту эксплуатации программ, нужны прочные и глубокие знания процессов проектирования инструментов вообще и машинного проектирования в частности.
Рис. 2.2. Составляющие экономической эффективности
автоматического проектирования инструмента