Процесс проектирования оборудования

Глава 8. Системы автоматизированного

Проектирования и расчетов

САПР объединяет технические средства, математическое и программное обеспечение, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач инженерного проектирования и конструирования. В САПР – человеко-машинной системе – обеспечивается удобство использования программ за счет применения оперативной связи персонала с ЭВМ, специальных проблемно-ориентированных языков и информационно-справочной базы.

Процесс проектирования оборудования

Проектирование – процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта, на основе первичного описания этого объекта и (или) алгоритма его функционирования. Проектирование включает в себя комплекс работ по изысканию, исследованию, расчетам и конструированию, имеющих целью получение такого описания предмета проектирования, какое необходимо и достаточно для создания нового изделия или реализации нового процесса, удовлетворяющего заданным требованиям.

Процесс проектирования состоит из шести этапов (рис. 8.1).

Выявление потребностей предполагает установление факта существования проблемы, в соответствии с которой необходимо новое конструкторское решение.

Рис.8.1. Процедуры автоматизированного проектирования.

Постановка задачи заключается в детальном описании изделия, подлежащего проектированию, его физических и функциональных характеристик, стоимости, качества и рабочих параметров.

Синтез, анализ и оптимизация проектирования тесно связаны друг с другом и многократно повторяются в том, что вначале проектировщик определяет концептуальную основу конкретного узла создаваемой системы; затем следует повторное воплощение в проектное решение до получения оптимального решения.

Оценка связана с распространением проектных характеристик конкретного варианта и сопоставлением их с требованиями, определенными на этапе постановки задачи. Для проведения такой оценки часто бывает необходимо изготовить и испытать опытный образец-прототип в целях получения реальных рабочих характеристик, параметров качества, надежности и др.

Представление результатов, заключительная фаза процесса проектирования, состоит в разработке деталировочных чертежей, спецификаций, сборочных листов, технологии изготовления и т.п. Для качественной и оперативной подготовки такой документации необходимо иметь соответствующие базы данных.

Разнообразные задачи проектирования, решаемые в современных САПР, можно объединить в четыре основных группы (рис. 8.1).

Геометрическое моделирование в рамках САПР связано с получением понятного машине математического описания геометрических свойств объекта. Для проведения геометрического моделирования использовать команды трех типов.

- команды первого типа обеспечивают формирование базовых геометрических элементов: точка, линия, окружность,

- посредством команд второго типа осуществляется масштабирование, повороты и прочие преобразования базовых элементов, а также при необходимости трехмерное моделирование,

- команды третьего типа производят компоновку целостного целостного изображения проектируемого объекта из различных элементов.

При создании геометрической модели могут быть использованы различные методы:

- двухмерное (типа 2D) моделирование – для плоских объектов,

- трехмерное (типа 3D) моделирование, позволяющее создавать сложные геометрические объекты в трехмерном изображении,

Наиболее совершенный метод геометрического моделирования – объемное твердотельное моделирование (рис. 8.2). При этом методе проектирования объект конструируется из монолитных геометрических тел, называемых графическими примитивами.

Рис. 8.2. Твердотельная модель детали сложной формы.

При выполнении инженерного анализа проекта необходимо провести расчеты механических напряжений и усилий, а также тепловых и динамических процессов полученных на основе дифференциальных уравнений описывающих поведение проектируемого объекта. Процедуры анализа могут быть автоматизированы с помощью специальных прикладных программ.

Задачи анализа свойств и масс получили в рамках САПР большое распространение, они позволяют исследовать свойства твердотельных объектов, такие как площадь поверхности, масса, объем, центр тяжести и момент инерции.

Наиболее мощный инструмент анализа, имеющийся в САПР – метод конечных элементов, в соответствии с которым объект разбивается на большое число элементов конечных размеров (обычно прямоугольников или треугольников), образующих сеть узлов концентрации напряжений. Оценка поведения целостного объекта производится на основе определения взаимосвязанного поведения всех его узлов.

В современных системах САПР происходит автоматическое выделение узлов и получение сетевой структуры объекта. Пользователь должен задать исходные параметры модели на основе метода конечных элементов, и система самостоятельно произведет все нужные вычисления.

Результат анализа по методу конечных элементов отображается в графической форме на экране дисплея в зависимости от нагружения детали, при этом изображение объекта до и после деформации может воспроизводиться разным цветом. Если полученные результаты свидетельствуют о нежелательных свойствах поведения проектируемого объекта, то конструктор имеет возможность изменить его форму и повторить анализ методом конечных элементов для новой конструкции.

Анализ проектных решений – третья задача проектирования. Точность проектирования проверяют с использованием графического терминала, что позволяет сократить число ошибок в определении размеров.

В процессе обзора решений конструктор использует процедуру разбиения на слои, что делает возможным наложение геометрических контуров детали после обработки на изображение заготовки. Такая операция гарантирует, что размеры заготовки удовлетворят требованиям к размерным характеристикам детали после обработки. Указанная процедура может применяться поэтапно в целях контроля каждого технологического перехода изготовления детали.

Еще одна процедура, реализуемая в анализе проектных решений, состоит в проверке взаимных положений элементов конструкции при ее работе. Кинематические программные пакеты обеспечивают возможность динамического воспроизведения движения проектируемого механизма, что гарантирует отсутствие столкновения элементов конструкции при ее эксплуатации.

Автоматическое изготовление чертежей предполагает выполнение в электронном виде и на бумаге конструкторских чертежей, на основе трехмерной модели (ассоциативные чертежи) или с использованием баз данных имеющихся в САПР. Это позволяет повысить производительность разработки чертежей в несколько раз за счет применения автоматических возможностей САПР по выполнению различных проекций, разрезов, сечений, дополнительных видов, масштабирования изображения конкретных элементов конструкции.

Кроме того, получение ассоциативных чертежей снижает вероятность ошибок при нанесении размеров на проекциях, за счет их автоматического получения с трехмерной модели или сборки.

Базы данных САПР могут использоваться для разработки системы классификации и кодирования деталей, что позволяет группировать детали в классы, и свойства их подобия отображать в схемах кодирования. Конструкторы могут использовать систему классификации и кодирования для отыскания конструкций деталей и не проектировать их заново. Проектируемые объекты могут быть декомпозированы на отдельные аспекты для их рассмотрения. Решение задач, связанных с преобразованием или получением описаний, относящихся к этим аспектам, называется функциональным, конструкторским и технологическим проектированием.

Функциональный аспект связан с отображением основных принципов функционирования, протекающих в объекте, и находит выражение в принципиальных, функциональных, структурных и кинематических схемах.

Конструкторский аспект связан с реализацией результатов функционального проектирования, т.е. с определением геометрических форм объектов и их взаимным расположением в пространстве.

Технологический аспект относится к реализации конструкторского проектирования, т.е. связан с описанием методов и средств изготовления объектов.

8.2. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И ПРИНЦИПЫ САПР ТП, ВИДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Под автоматизацией проектирования понимают систематическое использование ЭВМ в процессе проектирования при обоснованном распределении функций между человеком и ЭВМ и обоснованном вы­боре методов автоматизированного решения технологических задач.

Различают три вида проектирования: неавтоматизированное, ав­томатизированное и автоматическое. При неавтоматизированном про­ектировании все преобразования описаний объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представле­ние описаний на различных языках осуществляет человек. При авто­матизированном проектировании все вышесказанное осуществляется в результате взаимодействия человека и ЭВМ, а при автоматическом проектировании — без участия человека.

При автоматизированном проектировании проектировщик дол­жен решать творческие задачи, а ЭВМ — задачи, функции которых связаны в основном с выполнением нетворческих или умственно-фор­мальных процессов при проектировании. Дальнейшее развитие тео­рии проектирования и вычислительной техники позволяет постепенно передавать ЭВМ решение и творческих задач. Производительность труда технолога-проектировщика повышается:

1) совершенствованием системы проектирования, включая систе­матизацию самого процесса проектирования и улучшение труда про­ектировщиков;

2) комплексной автоматизацией нетворческих функций проекти­ровщика в процессе проектирования;

3) разработкой имитационных моделей для автоматического вос­произведения деятельности человека, его способности принимать ре­шения в условиях полной или частичной неопределенности создав­шихся ситуаций.

По степени углубленности разработок различают несколько уров­ней проектирования: разработку принципиальной схемы ТП, проекти­рование технологического маршрута обработки, проектирование тех­нологических операций, разработку управляющих программ для обо­рудования с числовым программным управлением.

Технологический процесс механосборочного производства и его элементы являются дискретными, поэтому задача синтеза заключает­ся в определении их структуры. Если среди вариантов структуры ищут наилучший в некотором смысле, то такую задачу синтеза называют структурной оптимизацией.

Расчет оптимальных параметров ТП или операции (перехода) при заданной структуре с позиции некоторого критерия называют пара­метрической оптимизацией. Возможности постановки и решения за­дач структурной оптимизации ограничены, поэтому под оптимизаци­ей часто понимают только параметрическую оптимизацию. Следова­тельно, параметрическая оптимизация — это определение таких значений параметров х, при которых некоторая функция F(х), назы­ваемая целевой, или функцией эффективности, принимает экстре­мальное значение.

На каждом уровне процесс технологического проектирования (проектирование ТП и его оснащение) представляется как решение со­вокупности задач (рис. 8.3).

При решении технологической задачи взаимодействие техноло­га-проектировщика с ЭВМ представляет процесс обмена информаци­ей в определенном режиме. Различают два основных режима: пакет­ный (автоматический) и диалоговый (оперативный).

В пакетном режиме технолог-пользователь и программист, как правило, не имеют прямой связи с ЭВМ. Тексты программ, результаты их проверки и решения технологической задачи передаются машине через оператора. Пакет прикладных программ представляет комплекс программ, работающих под управлением программы-монитора, и предназначен для решения определенного класса близких друг другу технологических задач, например проектирование технологического маршрута обработки деталей определенного класса (группы), сборки узлов и сборочных операций заданного типа.

В оперативном режиме технолог-проектировщик-пользователь непосредственно связан с ЭВМ посредством пользовательского ин­терфейса, обеспечивающего достаточно быстрое получение информа­ции через интервал времени, не нарушающий естественного хода его мысли.

Диалоговый режим эффективен при решении творческих задач, когда требуется эвристический подход (распознавание геометриче­ских образов деталей, размерных и топологических связей между эле­ментарными геометрическими образами с целью оптимального выбо­ра схем базирования, проектирование маршрута обработки, сборки и др.). Эти и многие другие задачи можно автоматизировать лишь путем синтеза творческих процессов человека и «способностей» машинных программ. Вместе с тем в диалоговом режиме значительно увеличива­ются затраты на проектирование. Можно создавать пакеты программ, позволяющих накапливать опыт проектирования и формировать алго­ритмы классификации, генерирования понятий, поведения. Поэтому возникла и решается задача создания автоматизированных систем проектирования ТП в режиме диалога с последующим переходом к па­кетному (автоматическому) режиму более высокого уровня путем ис­пользования программ обучения.

К числу наиболее сложных и наукоемких систем в современной технике относят САПР, разработка которой включает следующие основные задачи:

- анализ процессов технологического проектирования (разработка ТП и средств оснащения);

- алгоритмизация проектных за­дач на базе методов оптимизации, ММ, дискретной математики, ис­кусственного интеллекта;

- разработка программных комплексов для решения задач проектирования производственных и технологических систем;

- создание проектов САПР, включая выбор и адаптацию про­граммных и технических средств, разработку операционных сред САПР.

Все это является комплексом задач, решаемых разработчиком САПР при участии специалиста в предметной области (технолога-ма­шиностроителя).

Рис. 8.3. Схема процесса проектирования на i-м уровне

При создании САПР, в том числе проектирования ТП, учитывают ряд положений:

— САПР строится как открытая и развивающаяся система, в кото­рой проектирование ведется с помощью ЭВМ. САПР разрабатывают продолжительное время, поэтому экономически целесообразно вво­дить ее в эксплуатацию по частям по мере готовности. Созданный ба­зовый вариант системы может расширяться. Кроме того, возможно по­явление новых, более совершенных ММ, программ, изменяются также и объекты проектирования;

— САПР создается как иерархическая система, реализующая комплексный подход к автоматизации на всех уровнях проектирова­ния. Так, в САПР ТП обычно включают подсистемы структурного, функционально-логического и элементного проектирования (разра­ботки принципиальной схемы ТП, проектирования маршрута, проек­тирования операций, разработки управляющих программ для обору­дования с ЧПУ). Иерархическое построение САПР относится также к специальному программному обеспечению и к техническим средст­вам (центральный вычислительный комплекс и автоматизированные рабочие места);

— САПР представляет совокупность информационно-согласо­ванных подсистем. Обслуживание всех или большинства последова­тельно решаемых задач ведется информационно-согласованными программами. Плохая информационная согласованность приводит к тому, что САПР превращается в совокупность автономных программ;

— САПР должна быть инвариантной системой, т. е. универсаль­ной или типовой; ее структурными частями являются подсистемы. Подсистема — выделяемая часть системы, с помощью которой можно получить законченные результаты проектирования. Каждая подсисте­ма содержит элементы обеспечения.

Предусматриваются следующие виды обеспечения автоматизиро­ванного (автоматического) проектирования:

методическое — совокупность документов, устанавливающих со­став, правила отбора и эксплуатации средств обеспечения проектиро­вания, необходимых для выполнения автоматизированного проекти­рования;

информационное — совокупность сведений, необходимых для выполнения проектирования, представленных в заданной форме;

математическое — совокупность математических методов, мате­матических моделей и алгоритмов, необходимых для проектирования, представленных в заданной форме;

лингвистическое — совокупность языков проектирования, вклю­чая термины и определения, правила формапизацин естественного языка и методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для проектирования, представленных в заданной форме;

программное (ПО) — совокупность машинных программ, необхо­димых для проектирования, представленных в заданной форме; про­граммное обеспечение делят на две части:

1) общее ПО (операционная система), необходимое для функцио­нирования ЭВМ;

2) специальное ПО, включающее все программы решения конкретных проектных задач;

техническое обеспечение — совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для проектирования. К техническому обеспечению предъявляются следующие требования:

- достаточность вычислительных ресурсов (производительность и емкость памяти) для решения всех основных проектных задач;

- приближенность к рабочим местам проектировщиков, создание дружественного интерфейса пользователь — ЭВМ;

- обеспечение коллективного выполнения проектирования. Главное направление ускорения вычислений в современных ЭВМ — распараллеливание вычислений. Высокопроизводительные вычисления требуются, в частности для обработки графической информации в интерактивном (в реальном масштабе времени) режиме при разработке конструкторско-технологической документации;

организационное обеспечение — совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и ее подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результат проектирования и порядок рассмотрения проектных документов, необходимых для выполнения проектирования.

Основные виды перечисленных обеспечений требуют разработки баз данных и, как следствие их дальнейшего развития и интеллектулизации, — разработку баз знаний.

База данных (БД) — структурированная совокупность данных. Наименьшая единица описания данных называется элементом описа­ния. Совокупность элементов описания, объединенных отношением принадлежности к одному описываемому объекту, называется запи­сью. Если элементы описания соответствуют отдельным свойствам объекта, то запись описывает объект в целом. Например, код типа опе­рации, логическая функция, коэффициент разветвления в совокупно­сти составляют запись и описывают свойства конкретного объек­та — технологической операции.

Система управления базами данных (СУБД) состоит из языковых и программных средств, предназначенных для создания и использова­ния БД прикладными программами, а также непосредственно пользо­вателями-непрограммистами.

Банк данных (БНД) — совокупность БД и системы управления БД (например, нормативно-технологическая информация).

Переход от данных к знаниям — логическое следствие развития и усложнения информационных структур, обрабатываемых на ЭВМ (например, методики выбора маршрутов обработки, параметров тех­нологических операций и т. д.). Основными отличиями знаний и дан­ных являются:

интерпретируемость — означает, что данные, помещенные в ЭВМ, могут содержательно интерпретироваться лишь соответствую­щими программами. В отрыве от программы данные не несут никакой содержательной информации. Знания отличаются тем, что возмож­ность содержательной интерпретации присутствует в них всегда;

наличие классифицирующих отношений. Заключается в следую­щем — несмотря на разнообразие форм хранения данных, возможно­сти компактного описания всех связей между различными типами данных ограничены;

ситуативные связи. Определяют ситуативную совместимость от­дельных событий или фактов, хранимых или вводимых в память, и по­зволяют строить процедуры анализа знаний.

При автоматизированном проектировании оптимальных ТП меха­носборочного производства необходимо учитывать:

- системность автоматизированного проектирования на основе ха­рактера и взаимосвязи факторов, влияющих на построение ТП, опре­деляющих обеспечение заданного качества изготовляемых изделий и экономичную эффективность разрабатываемой технологии;

- оптимизацию проектируемого ТП, предусматривающего ком­плексную взаимосвязь его структуры, параметров качества изготов­ляемого изделия, режимов обработки;

- рациональное сочетание типовых и индивидуальных технологиче­ских решений на всех уровнях проектирования.

Повышение уровня типизации, унификации и стандартизации при разработке ТП во многом определяет эффективность автоматизиро­ванного проектирования.

Автоматизированная система технологической подготовки произ­водства (АСТПП) включает проектирование ТП как заготовительно­го производства, так и обработки резанием и сборки, проектирование технологической оснастки, специального инструмента и нестандарт­ного оборудования.

Под рабочим процессом в информационной системе понимают преобразование входных данных в выходные. В данной системе это означает преобразование информации о детали, представленной в виде информационной модели в технологическую документацию. Обычно этот процесс включает:

- разработку принципиальной схемы ТП;

- проектирование технологического маршрута обработки детали;

- проектирование технологических операций с выбором оборудования, приспособлений и инструмента, а также с назначением режимов реза­ния и норм времени;

- разработку управляющих программ для станков с ЧПУ;

- расчет технико-экономических показателей ТП, разработку не­обходимой технологической документации.

Непосредственное участие проектировщика позволяет принимать решения о формаль­ном распределении функций между ЭВМ и человеком. Важным и необходимым эле­ментом рабочего про­цесса является инфор­мационное обеспече­ние — характеристика обрабатываемых мате­риалов, каталоги ста­ночного оборудова­ния, режущего и изме­рительного инструмен­та и т. д.

В настоящее время функционирует мно­жество систем проектирования ТП: информационно-поисковые системы, основанные на адресации деталей к унифицированным ТП (типовым и групповым ТП), которая позволяет формировать БД по технологическому оснащению, типовым деталям и т. п.; большая группа систем основана на синтезе структуры ТП из обобщенной структуры (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Схема синтеза структуры ТП из обобщенной стрктуры

Обобщенная структура М_у* состоящая из типовых индивидуальных маршрутов М_i представляется как М_у*= M_i и M_i М_у*. Необходимым условием включения индивидуального мар­шрута M_i в обобщенную структуру является наличие непустой облас­ти пересечения М*_у и M_i. Учитываются условия назначения операций (переходов) в маршруты. Модель эксперта включает алгоритмы выде­ления ТП (маршрута или операции) из обобщенной структуры для конкретных условий по определенным правилам (машина вывода).

В тех случаях, когда номенклатура изготовляемых деталей неусто­явшаяся (например, в экспериментальном машиностроении), в основе
автоматизированной подсистемы проектирования ТП лежит принцип
группирования по базовым (типовым) конструктивам БК, изготовляе­мого комплекта деталей и конструктивным обогащениям (отдельные
конструктивные элементы) (рис. 3.3). Таким образом, ТП для изготовления комплекта деталей можно представить как совокупность опера­ций обработки базовых конструктивов ТПБК_i и переходов р_к на обработку элементов конструктивного обогащения М={ТПБК_i р_к}.

Такой подход позволяет перейти к блочно-модульному принципу проектирования ТП и подготовки управляющих программ (УП) для станков с
ЧПУ. Модель эксперта включает правила, учитывающие соотношение конструктивных признаков базового типового образа (конструктива) и конструктивных элементов обогащения, что определяет проектирование типового или единичного ТП.

Синтез ТП происходит при выделении его из обобщенной структуры или проектируется единич­ный ТП.

Машина вывода в обоих случаях позволяет иметь альтерна­тивные варианты, позволяющие учитывать изменяющиеся производ­ственные условия (см. рис.8.5)

Рис 8.5. Схема структурного синтеза ТП на основе базового конструктива с элементами конструктивногообогащения

Достоинство разработки ТП с помощью базовых конструктивов и конструктивного обогащения состоит прежде всего в том, что она по­зволяет существенно упростить единичный, сквозной цикл проекти­рования — изготовление детали. Для таких средств проектирования существуют библиотеки операционных карт и определенные наборы групповых карт наладки оборудования. Последнее обеспечивает груп­повые способы производства спроектированных деталей.

При формировании типовых образов и фрагментов обогащений прежде всего учитывались данные, приходящие с технологического уровня, конкретизирующие информацию об элементах деталей на ос­нове общности рабочего места, оснастки, режущего инструмента, ма­териала. Это обеспечивает оперативную связь при интерактивном взаимодействии конструктора и технолога на базе вычислительной системы. Такой подход позволяет обеспечить максимальное значение целевой функции.

Выделение конкретной структуры из обобщенной происходит по нисходящим, восходящим и комбинированным направлениям. Пред­ложенные автоматизированные системы САПР ТП являются много­уровневыми от разработки принципиальной схемы ТП до подготовки УП для изготовления деталей на станках с ЧПУ. В частности, такие системы основываются: на многошаговом синтезе; использовании таблиц применяемости; на поэтапном преобразовании описания изде­лия в описание ТП изготовления этого изделия; на иерархической сис­теме математического моделирования на различных уровнях абстра­гирования (САПР сборки).

Основными уровнями технологического проектирования процес­сов сборки в системе являются: выбор схемы базирования; определе­ние конструктивной схемы сборочного приспособления; определение последовательности установки сборочных единиц; проектирование ТП сборки.

8.3. СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В основе решения задач структурного синтеза различной сложно­сти лежит перебор вариантов счетного множества. При переборе каж­дая проба включает: создание (поиск) очередного варианта, принятие решения о замене ранее выбранного варианта новым и продолжение или прекращение поиска новых вариантов.

Задачи структурного синтеза при автоматизированном технологи­ческом проектировании зависят от уровня сложности. В наиболее про­стых задачах синтеза (первого уровня сложности) задается структура ТП или его элементов (операции, перехода). В этом случае часто ис­пользуют таблицы применяемости (табличные модели).

Для полного перебора вариантов структуры из конечного множе­ства необходимо задавать перечень всех элементов этого множества (второй уровень сложности структурного синтеза). Такой перечень создается в виде каталога типовых вариантов структуры, например ти­повых технологических маршрутов. Тогда для данного класса (груп­пы, подгруппы или вида) деталей устанавливается так называемый обобщенный маршрут (обобщенная структура) обработки. Он вклю­чает перечень операций обработки, характерный для определенного класса, подкласса или группы деталей. Перечень является упорядо­ченным и представляет собой множество существующих индивиду­альных маршрутов. Эти маршруты имеют типовую последователь­ность и содержание, причем для предприятия или отрасли они отража­ют передовой производственный опыт.

При третьем уровне сложности структурного синтеза решаются задачи выбора варианта структуры во множестве с большим, но ко­нечным результатом известных вариантов. Для решения таких задач используют алгоритмы направленного перебора (например, алгорит­мы дискретного линейного программирования), алгоритмы последо­вательные, итерационные и др.; сведения задачи к полному перебору путем ограничения области поиска на стадии формирования исход­ных данных. Например, оптимизация плана обработки поверхности представляет задачу структурного синтеза, когда выбор варианта плана происходит во множестве с большим, но конечным числом из­вестных вариантов. Для поиска оптимального варианта используют алгоритмы дискретного программирования, находят условия, кото­рым должен удовлетворять оптимальный многошаговый процесс принятия решений. Подобный анализ называют динамическим про­граммированием. Оптимальная стратегия обладает тем свойством, что, каков бы ни был путь достижения некоторого состояния (техно­логического перехода), последующие решения должны принадле­жать оптимальной стратегии для части плана обработки поверхно­сти, начинающегося с этого состояния (технологического перехода). Для того чтобы учесть сформулированный принцип оптимальности, можно использовать следующие обозначения: f_n(р_i)_у — технологи­ческая себестоимость, отвечающая стратегии минимальных затрат. Для плана обработки от технологического перехода р_i, до последнего перехода (если до него остается п шагов); j_n(p_i) — решение, позво­ляющее достичь f_n(р_i).

Общей особенностью всех моделей динамического программирования является сведение задач принятия решения к получению рекуррентных соотношений, которые можно представить в следующем виде:

fn(p_i) = min[CPij+ f_n(р_i)],(8.1)

где С —технологическая себестоимость при выполнении техноло­гического перехода р_j, после перехода p_i.

Возможные варианты плана обработки поверхности представляют сеть или граф. Рекуррентное соотношение (8.1) позволяет из множест­ва сформированных вариантов выбрать один или несколько лучших с указанием глубин резания, подач и скорости резания по технологиче­ским переходам, а также заготовку.

К третьему уровню сложности структурного синтеза ТП и его эле­ментов также относят задачи целочисленного программирования; при этом программировании к требованиям линейности критерия и огра­ничений добавляется условие целочисленности переменных. Напри­мер, имеющуюся совокупность {р} переходов необходимо распреде­лить по позициям станка (вертикального или горизонтального много­шпиндельных токарных полуавтоматов, пруткового автомата и др.), для чего вводят переменные

1, если i-й переход выполняется на j-й позиции;

0- в противном случае,

x_ij={

где i = 1,2, ...,p; j = 1, 2,..., т.

При этом учитывают основные группы ограничений, связанных:

1) с необходимостью закрепления определенных переходов за по­зициями станка:

,

где А_i — множество индексов позиций, на которых может быть вы­полнен i-й переход;

2) с требованием определенной очередности выполнения перехо­дов:

x_ij ≤ для всех i^/

где В_i — множество индексов переходов, без выполнения которых нельзя выполнить переход с индексом i;

3) с возможностью совмещения нескольких переходов на одной позиции при котором суммирование ведется по индексам рассматриваемых переходов. Целое число k означает количество со­вмещенных на одной позиции переходов.

Если при указанных ограничениях требуется найти минимум це­левой функции

Z = (8.2)

(где С_ij — себестоимость i-го перехода на позиции j), то задачу цело­численного программирования с булевыми переменными можно ре­шить методом частичного перебора (аддитивный алгоритм).

Задачи структурного синтеза четвертого уровня сложности (выбор вариантов во множестве с заранее неизвестным числом элементов или вообще в бесконечном множестве) решаются при активном участии технолога-проектировщика и реализуются в режиме диалога с ЭВМ. Например, при проектировании инструментальной наладки для прут­кового автомата в режиме диалога устанавливается определенный по­рядок взаимодействия технолога и машины (рис. 8.6). Технолог, рабо­тающий в режиме диалога с ЭВМ, выбирает такой вариант структуры, который представляет собой оптимальный компромисс между произ­водительностью работы автомата и вероятностью обеспечения задан­ного качества обрабатываемой детали. ЭВМ помогает технологу при­нять решение об изменении структуры, рассчитав по программе режи­мы резания и производительность автомата.

Общую трудоемкость проектирования наладки можно умень­шить с помощью перехода от диалогового режима к пакетному. По­добные задачи решают путем применения процедур обучения (про­цедур формирования понятий). В качестве процедур обучения ис­пользуют программы распознавания и классификации. При этом происходит перераспределение рутинной и творческой работы при использовании пакетного режима более высокого уровня, технолог занимается подготовкой исходных данных и проверяет окончатель­ный результат.

Пятый, самый сложный, уровень структурного синтеза направлен на создание принципиально новых ТП и решается так называемым поисковым конструированием (искусственный интеллект).

Одним из путей поискового конструирования является использование метода эвристических приемов:

уяснение или формулирование технического задания (ТЗ);

выбор одного или нескольких аналогов (прототипов) ТП;

анализ прототипов.

Выявление их недостатков и формулирование постановки задачи в виде ответов на вопросы:

а) каковы показатели качества в прототипе синтезирующего ТП и насколько желательно их улучшить;

б) какие новые параметры качества детали должен обеспечить соз­даваемый ТП и какие параметры качества должен утратить рассматри­ваемый прототип;

в) решение задачи.

Большие трудности, возникающие при поисковом конструирова­нии и эвристическом программировании, привели к появлению экс­пертных систем.

Рис. 8.6. Схема взаимодействия технолога-проектировщика и ЭВМ при проектирова­нии автоматной операции

В основе экспертных систем лежит БД, используемая экспертом (технологом-пользователем) в режиме диалога. Недостат­ком таких систем явилась зависимость качества проектных технологических решений (в частности, проектирование маршрутной и операци­онной технологий) от уровня подготовки эксперта. Другой недостаток заключается в ограничении круга решаемых задач из-за размерности.

Необходимость повышения уровня интеллектуализации автома­тизированного процесса синтеза технологических решений при высо­ких размерностях решаемых задач потребовала разработки принципи­ально новых решений, одним из которых явилось создание и исполь­зование метода генетических алгоритмов.

Применение генетических алгоритмов предполагает отображение возможной структуры ТП в виде хромосомы (фреймов), состоящей из генов (полей). Каждый ген является аналогом операции в технологи­ческом маршруте.

При формировании структуры ТП используется набор эвристических правил, позволяющий эффективно формировать конкретные структуры. Оценка эффективности проводится на основе расчета значений целевой функции и анализа полученных результатов.

Реализация такого подхода осуществляется на основе алгоритма, представленного на рис. 8.7.

Рис. 8.7. Генетический алгоритм

Совокупность возможных структур ТП, представленная в виде хромосом, образует популяцию. Процесс решения задачи сводится к формированию новых популяций путем модификации предыдущих. Модификация основана на формировании новых хромосом путем скрещивания лучших (согласно целевой функции) хромосом из предыдущей популяции. Это позволяет достаточно быстро находить работоспособный вариант при решении задач высокой размерности.

8.4. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ

Расчет оптимальных параметров (режимов резания, параметров качества и др.) ТП или операции при заданной структуре с позиции не­которого критерия называют параметрической оптимизацией. Она предусматривает определение таких значений параметров х, при кото­рых некоторая функция F(x), называемая целевой функцией (например, приведенные затраты, техноло­гическая себестоимость, штучное время, штучная производитель­ность, технологическая производительность, вспомогательное время и др.), принимает экстремальное значение.

Для решения задач оптимизации в технологическом проектирова­нии используют функциональные математические модели и методы математического программирования — линейное, целочисленное, ди­намическое, геометрическое и др.

В технологическом проектировании оптимизационные модели, описанные методами математического программирования, записыва­ют в следующем виде:

F(x_], х₂,..., х_п)→min(max),

g_i(x_],x₂,...,x_n)≤b_i,i =

a_1i≤x_j ≤a_2i,i =

где все управляемые x_j могут принимать значения из множества [a_1i, a_2i]действительных чисел; F(x) и g_i(x)— скалярные функции своих аргументов; b_i — заданные действительные функции.

Задачи подобного типа в технологии машиностроения возникают при определении оптимальных режимов обработки. В этом случае применяют методы линейного и нелинейного программирования.

Метод линейного программирования вызывает трудности, связан­ные с линейностью критерия оптимальности и ограничений. Например, при назначении черновой обработки заготов­ки, должны быть учтены ограничения, связанные с техническими дан­ными оборудования, характеристиками режущего инструмента, размерами детали и др. Эти ограничения выражаются через парамет­ры переходов (рабочих ходов) — режимы резания (t — глубина реза­ния, s — подача, v — скорость резания) и соответствующие величи­ны, характеризующие условия обработки (мощность привода обору­дования; допустимая сила, действующая на механизм подачи станка; прочность и стойкость режущего инструмента; допустимое переме­щение заготовки под действием сил резания):

g₁(t,s,v) ≤ b₁,

(8.4)

g₂(t,s,v) ≤b₂,

………

g_n(t,s,v) ≤b_n.

Для согласования значений подачи s и частот вращения шпинделя п с паспортными данными оборудования используют коэффициенты геометрических рядов подач (φ _s) и частот вращения шпинделя (φ _n):

(8.5)

s=s₁ φ _s^zs-1

п = n₁ φ _n^zn-1

где s₁, n₁— наименьшие числа в рядах подач и частот вращения шпинделя; z_s-1, z_s-1— показатели степени.

Лучшему варианту плана обработки соответствуют минимальные затраты

(8.6)

C_p= ,

где С_i — затраты на выполнение перехода (рабочего хода); р — число , переходов (рабочих ходов).

Путем логарифмирования ограничений (8.5) и целевой функции

(8.6), связанных с одним переходом (рабочим ходом), получают

линейную задачу

Z = k_о + k₁x₁ + к₂х₂ + k₃x₃ → min

при ограничениях

a_1i x_j ≤ b_i,i =

где x₁=lnt ; x₂ = z_s; x₃ = z_n; t, s — соответственно глубина резания и подача при рассматриваемом переходе; a_1i — коэффициенты, зависящие от показателей степени при глубине резания, подачи и скорости резания в формулах сил и скорости резания, а также от коэффициентов геометрических рядов подач и частот вращения шпинделя; к₀, ..., к₃, b₁, — коэффициенты и величины ограничений, зависящие от конкрет­ных условий обработки.

Одним из возможных методов решения широкого класса нелиней­ных задач является метод геометрического программирования, позво­ляющий рассматривать задачи с учетом особенностей их инженерной по­становки. Основное требование геометрического программирования со­стоит в том, чтобы все технические характеристики были выражены в виде положительных полиномов (позиномов) от регулируемых парамет­ров, т. е. в виде функций

g(X) = ,

где с_i, и а_ij — постоянные; с_j ≥ 0, х_j ≥ 0.

Во многих технологических задачах зависимости между парамет­рами приводят к функциям типа позиномов. Так, при построении опе­раций при врезном шлифовании на одно- и многокруговых шлифо­вальных полуавтоматах ставилась задача выбора режимов обработки, обеспечивающих минимальное время обработки при достижении за­данной точности. С учетом ограничений по суммарным значениям ра­диальных сил, по суммарной мощности, необходимой для резания, и ограничения, обеспечивающего размерную стойкость круга при чер­новой обработке, формулируется следующая задача геометрического программирования:

g_o(x) = с₁х₁^-1 х₂^-1 + с₂х₁ х₂^-1.75 + с₃х₂^-1 х₃^-1 → min;

g₁(x) = c₄x₁^0.8 x₂^0.8 ≤ 1;

g₂(x) = c₅ x₂ ≤ l; (8.7)

g₃(x) = c₆ x₁ + c₇x₃ ≤ l;

x_j > 0 (j = ); c_i>0 (j = ),

где x₁ = s_j — подача; x₂ = n_i — частота вращения заготовки; х_з — переменная (носит вспомогательный характер). Геометрическое программирование более чем другие методы нелинейного программирования при­способлено для использования в ЭВМ. В процессе решения_появляется возможность анализировать поведение целевой функции g₀( ) при изме­нении различных параметров, входящих в задачу.

Для параметрической оптимизации можно использовать метод динамического программирования, который сводится к рекуррентным соотношениям (например, распределение припуска по технологическим переходам). Динамическое программирование — это вычисли­тельный метод, обеспечивающий глобальный оптимум.

Используют также различные методы поиска, исключающие пол­ный перебор (например, регулярного поиска для определения опти­мальных режимов резания при обработке ступенчатых валов на токар­ном гидрокопировальном полуавтомате). Задают исходные данные (размеры и материал детали, режущий инструмент, глубину резания, жесткость узлов станка, цикловые и внецикловые потери времени ра­боты оборудования). Требуется найти режим обработки s_j, n_i удовле­творяющий условиям по точности обработки, шероховатости поверх­ности, мощности, расходуемой на резание, кинематике станка и при­водящий целевую функцию к максимуму:

∆ ≤ δ_f ;

∆y_fmax ≤ k₁δ_f;

∆u_max ≤ k₂δ_f ;

Rz_fmax ≤ Rz_fдоп;

≤ N_дηk_п;

≤ N_дηk_п;

s_min≤ s_j ≤ s_max;

v_min ≤ v_i ≤ v_max.

Целевая функция (штучная производительность).

, (8.9)

где δ_f — заданный допуск на диаметр ступени f; ∆ — ожидаемая суммарная погрешность; δy, δu— составляющие суммарной погреш­ности; к₁, k₂— экспериментальные коэффициенты; N_д— мощность электродвигателя; к_п— коэффициент перегрузки электродвигателя; η — КПД; q + 1 и q — индексы резцов, установленные соответствен­но на гидрокопировальном и поперечном суппортах; к — технологи­ческая производительность; t_x — время на холостые перемещения ин­струмента; ∑С_i, — потери времени, связанные с эксплуатацией режу­щего инструмента; t_e — внецикловые потери времени.

Ограничения (8.8) определяют возможные варианты обработки деталей. Для каждой обрабатываемой поверхности детали имеется на­бор возможных сочетаний s_j и п_i выбор которых обусловлен приве­денными выше ограничениями. Множество допустимых для f-й по­верхности детали пар (s_i,n_i) обозначают R_f= {(s_f, n_i)^f}, где f= 1, к — индекс ступени вала.

Возможный вариант обработки детали в целом может быть реали­зован с параметрами s_j, n_i принадлежащими всем множествам R_f, т. е.

область R их пересечения s_j, n_i R_f, (рис. 8.8, а). Для начала перебора находят один допустимый режим (s_J0, u_i0) и, двигаясь от него вдоль гра­ницы области пересечения (рис. 3.8, б), определяют оптимальный ре­жим s_joп, n_ioп, приводящий целевую функцию (8.9) к максимуму.

а) б)

Рис. 8.8. Схема образования области допустимых режимов резания (а) и геометриче­ская интерпретация нахождения оптимальных режимов резания с наложением уров­ней целевой функции (б)

Влияние ограничений на значение целевой функции и область до­пустимых решений задачи различно.

Например, анализ результатов моделирования операции обработки на токарных гидрокопироваль­ных полуавтоматах показал, что изменение заданного допуска на диаметр δ_f ступени вала влияет на значение целевой функции Q (рис. 8.9, а) и число возможных вариантов обработки (рис. 8.9, б).

a) б)

Рис. 8.9. Зависимость производительности Q от допуска (δ_f) (а) и изменение областей допустимыз режимов резания s_j b n_j jn δ_f : 1) δ_f=0.2; 2) δ_f=0.15; 3) δ_f=0.1; (для диаметров D_f=60 мм)

При параметрической оптимизации ММ оценивают с точки зрения пригодности их использования для решения технологических задач в производственных условиях. Это выполняют с помощью статистиче­ского анализа путем:

сравнения двух методов решения конкретной задачи — ММ-использования нормативных данных, при этом проверяют гипотезу со­ответствия значений двух выборок;

проверки ММ на чувствительность влияния случайных факторов;

проверки ММ на ее адекватность реальному ТП.

8.5. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ПОДСИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ