В данной статье рассматриваются функциональные возможности системы автоматизированной поддержки инженерных решений (САПИР) при проектировании трехфазных асинхронных электродвигателей. Данная система построена на базе интегрированной интеллектуальной системы. Ее наполнение базовыми знаниями по расчету и конструированию электродвигателей будем обозначать как ИнИС/ЭД.
В общем виде расчет и конструирование электродвигателей - сложный процесс, не всегда поддающийся формализации и требующий в большинстве случаев индивидуальных решений проектировщика. В процессе подготовки и серийного производства новых и модернизации существующих электродвигателей проектируется большое количество оригинальных деталей и узлов. Кроме того, организация массового выпуска электродвигателей предусматривает проектирование и изготовление оснастки и необходимого технологического оборудования, унифицированных (УТП) и единичных (ЕТП) технологических процессов.
Традиционно процесс проектирования асинхронных двигателей состоит из следующих взаимосвязанных этапов:
- расчетного проектирования (электромагнитные, механические, тепловые, вентиляционные, размерные расчеты и т.д.);
- конструкторского проектирования;
- изготовления опытных образцов;
- испытания опытных образцов и корректировки документации по результатам испытаний;
- предъявления опытных образцов заказчику;
- доработки двигателя и документаций по замечаниям заказчика;
- выдачи документации для технологической подготовки производства двигателя.
- К выходным документам при выполнении проектных работ относятся:
- по результатам расчетного проектирования - техническое задание(ТЗ), обмоточная записка, проект технических условий (ТУ) и другая документация, необходимая для конструкторского проектирования;
- по результатам конструкторского проектирования - комплект чертежей ( в т.ч. чертежи деталей, сборочных единиц, чертеж общего вида, габаритный чертеж, электрические схемы, спецификации, ведомость покупных изделий, эксплуатационные документы и др.);
- по результатам технологического проектирования - групповые и единичные технологические процессы, карты наладок оборудования и инструмента, маршрутные карты, спецификации, расчетно-нормировочные карты, ведомость отрезки, карты раскроя, комплект чертежей на изготовление оснастки, перечень необходимого оборудования и планировки.
Общая характеристика САПИР
Целевое назначение САПИР при расчете и проектировании электродвигателей состоит в следующем:- повышении качества проектов и снижении себестоимости проектных работ;
- сокращении трудоемкости проектных расчетов, конструировании и выпуске рабочих чертежей за счет мощной информационной поддержки проектирования (базы с нормативно-справочной информацией, графических баз знаний, расчетных процедур и т.д.), автоматизации принятия проектных решений (символьные базы знаний), автоматизации редактирования и выпуска конструкторской текстовой и графической документации;
- создании открытой для модернизации и пополнения типовой САПИР для предприятий, занимающихся разработкой и изготовлением различных электродвигателей.
В рамках подсистемы конструкторского проектирования реализуются работы по конструкторской проработке деталей и узлов, делается предварительная оценка технологичности конструкции и выполняется технологический анализ производства. Эти работы заканчиваются выпуском комплекта конструкторской документации.
Рисунок 1.
Информационная среда для совмещенной проработкиэлектродвигателя и его технологической подготовки
производства
С помощью средств ВТ подсистемы расчетного и конструкторского проектирования и технологической подготовки производства информационно интегрированы в единую систему ИнИС/ЭД (рис.1). Такое построение ИнИС/ЭД позволило практически использовать преимущества совмещенной разработки основного изделия (электродвигатель) и технологической оснастки (штампы, пресс-формы, режущий, измерительный инструмент). Для пользователя совмещенное проектирование предполагает достижение двух ключевых целей: улучшить качество процесса проектирования путем органичного обмена идеями и информацией и сделать доступной необходимую информацию по проекту для всех участников последнего процесса. Переход к параллельно-последовательному методу разработки электродвигателей и технологической подготовки производства позволяет за счет привлечения средств ВТ резко сократить общее время, отводимое на освоение и запуск в производство нового образца.
Особенности использования ИнИС при создании штампов, пресс-форм, режущих и мерительных инструментов изложены в работах [1,2]. Поэтому в дальнейшем на вопросах технологической подготовки производства электродвигателей особо останавливаться не будем.
ИнИС/ЭД позволяет пользователю активно вмешиваться в ход работ на любой стадии расчета и проектирования и переходить от автоматизированного режима к интерактивному. Весь диалог с пользователем построен на основе русского языка с использованием "деловой прозы", сложившейся в области расчета и проектирования электродвигателей.
База знаний для проектирования электродвигателей
Использование ИнИС/ЭД вносит существенные изменения в процессы проектирования. Главное из них базируется на создании и использовании компьютерного варианта символьной и графической базы знаний. На рис.2 приведена структура статической и динамической компонент базы знаний для проектирования электродвигателей. Выделение двух типов компонент связано с тем, что статическая часть функционирует по принципу "один раз создать и многократно использовать". Динамическая часть базы знаний обычно является уникальной для каждого проекта.
Рисунок 2.
Структура базы знаний при расчете и проектировании
электродвигателей
Словарь понятий, используемых в ходе проектирования электродвигателей, содержит более 950 терминов, на их основе составлено свыше сотни таблиц. Таблицы с нормативно-справочной информацией занимают порядка 4Мбайт дисковой памяти. Конструктор в ИнИС/ЭД в ходе своей работы может обращаться к различным справочникам и нормативным документам, в которых сосредоточена следующая информация:
- параметры двигателей, находящихся в производстве на данном предприятии;
- различные нормативные ряды, в соответствии с которыми должны проектироваться отдельные узлы и детали;
- данные по системе допусков и посадок;
- основные технические данные по шероховатости поверхности;
- данные по физико-механическим свойствам материалов;
- сортаменты материалов;
- основные технические данные покрытий и рекомендации по их применению;
- технические данные стандартных деталей и узлов (подшипники, крепеж и т.п.);
- ограничительные стандарты предпри-ятия на применяемые материалы, металлы, крепеж и т.д.;
- отдельные графические решения деталей и узлов наиболее часто применяемых в изделиях и оформленных в виде СТП;
- сведения об электроизоляционных материалах и проводниках (провода, кабели).
Расчетные программы могут быть представлены в виде блоков принятия решений, вычислительных моделей [3] и программных модулей из библиотек пользователя.
Таблицы, содержащие формализованное техническое задание (ФТЗ), специально выделены в отдельный блок и сохраняются неизменными до окончания процесса проектирования.
Особенности расчетного проектирования
Подсистема расчетного проектирования реализует этапы концептуального конструирования электродвигателя [4-8]. Проектирование двигателя начинается с анализа технического задания (технических требований заказчика), после чего конструктор может обращаться к справочнику (архиву) о производимых на данном предприятии двигателях (рис. 1). Подбор аналога производится автоматизированно по запросу пользователя. В результате выбора аналога разработчик получает все параметры активной части двигателя и наименование проекта, в который входит весь объем чертежей, выбранного аналога.Работа со справочником предусматривает выбор в качестве аналога не только одного конкретного двигателя, но и возможна комбинация частей из нескольких двигателей (проектов). По выбранному аналогу и на основе ТЗ, определяющего условия эксплуатации проектируемого двигателя, автоматически из базы данных определяется СТП на конструкцию системы изоляции.
Программа поверочного электромагнитного расчета распространяется на трехфазные низковольтные асинхронные двигатели закрытого (IР44, IP54) и защищенного (IР23) исполнений с короткозамкнутым ротором. Предусмотрена возможность расчета машин с различными формами пазов (открытый, полуоткрытый и закрытый, одинарный, двойной, кеглеобразный или лопаточный ).
Обмотка статора двигателей может быть трех- и шестизонной, одно- и двухслойной, состоять из всыпных или жестких секций с целым и дробным числом пазов на полюс и фазу. Обмотка статора должна быть симметричной. Обмотка короткозамкнутого ротора может быть с одинарной и двойной литой клеткой, с общим короткозамыкающим кольцом, с различными материалами.
В программе предусмотрен расчет длин лобовых частей жестких секций двухслойных обмоток и всыпных катушечных групп.
ИнИС/ЭД предусматривает введение в расчетную программу значительного числа исходных данных, необходимых для выполнения расчетов, с учетом требований нормативных документов (ГОСТ, ОСТ, СТП, РТМ), а также различных справочных материалов. При проведении поверочных электромагнитных и механических расчетов асинхронных двигателей предусмотрена возможность автоматического выбора увязки по мощностям и установочным размерам, соответствующая как отечественным, так и международным стандартам DIN, CENELEC.
По результатам расчета предусмотрена выдача заключения о соответствии принимаемых решений требованиям технического задания и стандартам ЕСКД.
Таким образом подсистема расчетного проектирования обеспечивает автоматизацию следующих проектных функций:
- выбор из справочника аналога, передача параметров аналога для проведения расчетов в подсистему конструкторского проектирования;
- выбор конструкции системы изоляции;
- проведение расчетов;
- возможность корректировки параметров в процессе расчета;
- получение заключения о соответствии параметров двигателя требованиям ТЗ;
- формирование обмоточной записки и передача ее в систему конструкторского проектирования.
Особенности конструкторского проектирования
Двигатель является сложной сборочной единицей, состоящей из сборочных узлов и деталей низших уровней входимости. Поэтому помимо базовой модели двигателя в целом следует рассматривать также информационные модели сборочных узлов низших уровней входимости и деталей. При таком подходе создается возможность автоматизации формирования изображения сборочных единиц и двигателя в целом, путем объединения нескольких структурных единиц разных уровней входимости.Графическая и символьная части базовой модели двигателя хранятся в базе данных как на изделие в целом, так и на отдельные его составные части (структурные единицы). В ИнИС/ЭД в качестве базовой модели использована реальная конструкция двигателя перспективной серии.
Возможна ситуация, когда выбранная базовая модель по сравнению с проектируемым изделием содержит избыточное или недостаточное число структурных единиц. Для получения новой модели проектируемого изделия из базовой модели необходимо исключить (добавить) избыточные (недостающие) структурные единицы. В результате такого преобразования будет получено изделие, полностью отвечающее требованиям ТЗ. В результате выполнения процедуры исключения (добавления) получается необходимый список деталей и сборочных единиц, составляющих проектируемое изделие.
Как показывает практика, аналоговый метод представляет пользователю возможность многократного использования накопленного производственного опыта в виде типовых или унифицированных решений различных уровней. Это позволяет для части решений до минимума сократить цикл подготовки конструкторской документации.
Параметры отдельных структурных единиц связаны между собой. Т.е. изменение параметра в одном месте автоматически вызывает перерасчет взаимосвязанных с ним других параметров. Обычно такие взаимосвязи являются двунаправленными.
Подсистема конструкторского проектирования асинхронных двигателей обеспечивает автоматизацию следующих функций:
- конструирование деталей и узлов двигателей;
- выбор конструктивных материалов, необходимых при проектировании двигателей;
- формирование узла ротора и статора в сборе по результатам электромагнитного и механического расчетов;
- формирование других сборочных чертежей и общего вида электродвигателя;
- формирование спецификаций;
- формирование эксплуатационной документации и паспорта;
- формирование документов по заполнению паспортных табличек;
- обеспечение управления проектами с разработанными и разрабатываемыми двигателями (автоматизированный архив двигателей).
Заключение
Взаимосвязь отдельных компонент САПИР по расчету и проектированию электродвигателей показана на рис. 3.
Рисунок 3.
Компоненты САПИР электродвигателей
В результате работы ИнИС/ЭД автоматически формируется комплект конструкторской документации на спроектированный электродвигатель (рис.3, п.6,7), оформленный в соответствии с ЕСКД, в который входят спецификация, сборочные чертежи и чертежи деталей (включая, по желанию пользователя, стандартные детали и паспорт на электродвигатель).
ИнИС/ЭД применяется при разработке новых и модернизации существующих короткозамкнутых асинхронных двигателей основного исполнения и их модификаций. ИнИС/ЭД достаточно просто адаптируется для конкретных предприятий, занимающихся разработкой и освоением производства низковольтных двигателей любых габаритов и модификаций. При этом на каждом из предприятий будет учтено и сохранено собственное НОУ-ХАУ. Это достигается за счет того, что развитие и пополнение ИнИС/ЭД обычно выполняется собственными силами разработчиков двигателей.Кроме того, ИнИС/ЭД может быть применена для ремонтных работ, а также в учебных целях в качестве обучающей программы.
Основными факторами экономии от внедрения ИнИС/ЭД при проектировании электродвигателей и разработке технологических процессов являются: снижение затрат на проектирование в связи с сокращением длительности цикла технической подготовки производства, ростом производительности труда (высвобождением) проектировщиков, а также в результате уменьшения количества макетов и опытных образцов проектируемого двигателя; повышения качества проектирования (повышение точности расчетов), возможности рассмотрения значительно большего количества вариантов.
В заключение следует отметить, что использование на этапе создания САПИР CASE-технологии, включающей ИКС[9], ИнИС[10] и T-FLEX CAD[11], позволило в кратчайшие сроки создать базовый прототип системы с минимальным привлечением профессиональных программистов.
Литература
- Соломенцев Ю.М., Рыбаков А.В. Компьютерная подготовка производства. - Автоматизация проектирования. 1997, #1, с. 31-35.
- Евдокимов С.А., Краснов А.А., Рыбаков А.В. Особенности создания САПР штампов для листовой штамповки в условиях новой информационной технологии.-Кузнечноштам-повочное производство. 1996, #2. с. 14-17.
- Евдокимов С.А., Рыбаков А.В. Программно-компьютерная среда для автоформализации знаний.- Вестник машиностроения. 1990, #7, с.40-44.
- Автоматизированное проектирование и исследование элементов и систем электромеханики. Труды ВНИИЭМ,т.63, 1980.
- Воскресенский А.П., Мазия Л.В., Сорокер Т.Т. Основные принципы системы автоматизированного проектирования асинхронных двигателей. - Электротехника, 1978, # 9.
- Гурин Я.С., Кузнецов Б.И. Проектирование серий электрических машин.
- Расчет трехфазных асинхронных двигателей. Ведомственная нормаль завода "Электроси-ла". 1988
- Унифицированная серия асинхронных двигателей. Под ред. В.И.Радина М., Интерэлектро, 1985.
- Евдокимов С.А., Рыбаков А.В. Intelligent computer system Сб. докл. международной конференции "Информационные технологии в проектировании" М., 1996, с. 82-86.
- Соломенцев Ю.М., Евдокимов С.А., Рыбаков А.В. Интегрированная интеллектуальная система ИнИС - оболочка для разработки и эксплуатации программных приложений пользователя. - Информационные технологии. #3, 1996, с. 10-13.
- Кураксин С.А., Бикулов С.А., Баранов Л.В., Козлов С.Ю., Ксенофонтов Д.К., Ефремов А.Н. T-FLEX CAD - новая технология построения САПР. - Автоматизация проектирования. 1996, #1, с. 50-54.