Электронная библиотека.
САПР XXI века: интеллектуальная автоматизация проектирования
технологических процессов.
|
Авторы: Георгий Евгеньев, Борис Кузьмин, |
Ссылка: Журнал "САПР и графика" |
Цели автоматизации проектирования технологических процессов и средства их достижения
Методика описания изделий в интеллектуальных САПР ТП
Системный подход к проектированию технологических процессов
Метод представления знаний структурного синтеза
Метод представления знаний параметрического синтеза
Проектирование технологических процессов (ТП) занимает центральное место в подготовке производства изделий. Технологические процессы содержат информацию о трудовых и материальных нормативах, без которых невозможно планирование и управление производственными ресурсами. В середине ХХ века наша страна занимала лидирующие позиции в области разработки методологии и методов автоматизации проектирования ТП. В эти годы были созданы концепции проектирования типовых и групповых технологических процессов, сформировано понятие конструкторско-технологических элементов детали (которые впоследствии получили на Западе наименование features), разработано множество различных САПР ТП. Однако большинство этих систем, созданных с использованием кустарных информационных технологий, прекратили свое существование, как только их авторы перестали ими заниматься. В настоящее время это направление компьютеризации инженерной деятельности стоит на пороге революционных изменений, о которых и пойдет речь в настоящей статье.
Подробное описание дерева целей компьютеризации инженерной деятельности было приведено в декабрьском номере журнала за прошлый год. Основная цель создания САПР ТП заключается в экономии труда технологов. Для достижения этой цели необходимо располагать средствами автоматизации оформления технической документации, средствами информационной поддержки проектирования и автоматизации принятия решений. В своем историческом развитии САПР ТП постепенно расширяли арсенал своих средств. На первом этапе эти системы часто представляли собой специализированные текстовые редакторы, некоторые из которых были документоориентированными. С появлением баз данных появилась возможность поддерживать процесс ручного формирования ТП в таких редакторах в части поиска необходимых средств технологического оснащения. Однако подавляющее большинство САПР ТП, в том числе и ныне существующих, не способны поддерживать автоматизацию принятия решений в процессе проектирования на основе технологических знаний. Существует два подхода к компьютеризации знаний: алгоритмический и применяющий методы искусственного интеллекта.
История развития САПР ТП показала бесперспективность алгоритмического подхода. При внедрении одной из первых таких систем, созданных в 60-е годы, было разработано десять технологических процессов. Заказчик принял лишь четыре из них, а остальные отверг. Разработчики пытались доказать представителям заказчика, что их алгоритмы построены правильно, но получили ответ: «Может быть, ваши алгоритмы действительно правильны, но у нас так не делают». Этот давний спор вынес, по сути дела, приговор алгоритмическому подходу в САПР ТП, при использовании которого правила принятия решений, заложенные в системе, недоступны для формирования и изменений непрограммирующими пользователями. В наступающем веке информатики знания станут ценнейшим достоянием как физических, так и юридических лиц. На одном из предприятий авторы настоящей статьи ознакомились с САПР ТП по аналогам. Технологи, проработавшие много лет на этом предприятии, получив чертеж детали, быстро находили в памяти компьютера описание процесса на аналогичную деталь и редактировали его, формируя новый. На вопрос о том, что будет, если работать с этой САПР придется специалистам, которые не обладают подобным опытом, ответа не последовало.
Немаловажное значение среди целей внедрения САПР имеет повышение качества проектных решений. Необходимо, чтобы накопленный положительный опыт находил отражение в базе знаний системы и был доступен для всех, в том числе и для новых сотрудников. Для достижения этой цели нужно предоставить непрограммирующим носителям технологического опыта возможность сохранять его в системе. Такую возможность и обеспечивают методы искусственного интеллекта.
Проводя аналогию с материальным производством, можно сказать, что в области автоматизации инженерного труда имеется основное производство, связанное с разработкой конструкторских и технологических проектов, а также планов управления, и вспомогательное производство, связанное с созданием и сопровождением собственно программных средств. Соответственно и цели компьютеризации инженерной деятельности следует разбить на две группы: основные и вспомогательные. Некоторые аспекты достижения основных целей автоматизации проектирования технологических процессов мы обсудили выше. Но при создании современных открытых систем не менее значимы и вспомогательные цели.
К числу вспомогательных целей автоматизации проектирования относятся: уменьшение трудоемкости разработки программных средств, адаптации их к условиям эксплуатации при внедрении, а также их сопровождения, то есть модификации, обусловленной необходимостью устранения выявленных ошибок и (или) изменения функциональных возможностей (рис. 1).
Рис. 1. Вспомогательные цели компьютеризации инженерной деятельность
Средством для сокращения трудоемкости разработки программных средств является использование инструментальной среды и ее мобильность. Метаинструментальная среда СПРУТ содержит полный набор инструментальных средств, необходимых для разработки конструкторских и технологических САПР. Поскольку среда СПРУТ является надстройкой над операционной системой и принадлежит к числу систем интерпретирующего типа, она обладает свойством мобильности. Перевод среды из одной операционной системы в другую требует только замены ее ядра. При этом все прикладные системы, разработанные с ее помощью, переносятся на новую платформу без каких-либо доработок.
Средством для сокращения трудоемкости адаптации систем к условиям эксплуатации на конкретном предприятии являются системы управления базами данных и знаний, ориентированные на конечного пользователя. Это означает, что упомянутые системы должны быть оснащены языками описания и манипулирования данных, доступными непрограммирующему пользователю.
Средством уменьшения трудоемкости сопровождения СКИД является модульность, открытость и модернизируемость ее программных средств. Это обеспечивает простоту замены и дополнения процедур, данных и знаний.
Методика описания деталей и сборочных единиц в существующих конструкторских САПР является основным препятствием на пути создания интегрированных конструкторско-технологических систем. Модели изделий в современных системах являются геометрическими, в то время как для автоматизации проектирования технологических процессов необходимы модели концептуальные. Эта проблема была подробно рассмотрена в первой статье цикла в декабрьском номере журнала за прошлый год. Геометрическая модель позволяет рассчитывать траектории инструментов при обработке деталей на станках с ЧПУ и поэтому способна обеспечить основу для построения систем класса CAD/CAM. Однако на станках с ЧПУ обрабатываются далеко не все детали; да и для тех деталей, которые подлежат такой обработке, она составляет только часть маршрутного технологического процесса.
Концептуальная модель детали основывается на понятии конструкторско-технологического элемента (КТЭ). Такой элемент является конструкторским в том плане, что он выполняет в детали определенную конструктивную функцию, например: обеспечивает базирование детали в сборочной единице (цилиндрические и конические осевые отверстия, шпоночные пазы и т.п.) или соединяет деталь со смежными (резьбы, зубчатые венцы и т.п.). Вместе с тем КТЭ имеет один или несколько технологических маршрутов его изготовления, сформированных из набора переходов.
КТЭ обладают иерархической структурой, состоящей из уровней элементов комплексных, основных и дополнительных. В число комплексных входят осесимметричные, призматические элементы и отверстия. Такой набор определяется основными видами операций механической обработки деталей: токарной, фрезерной и сверлильно-расточной. Дополнительные элементы (выточки, пазы, канавки, фаски и т.п.) располагаются на основных, и к их обработке можно приступить только после предварительного формирования основных элементов.
Каждый КТЭ представляет собой объект со своим набором свойств. Имеется возможность наследования свойств от старшего объекта к младшему, например шероховатость «остального» от детали к ее элементам.
Для системного анализа технологических процессов в машиностроении необходимо установить: номенклатуру элементов; состав элементов каждого типа; набор свойств этих элементов.
Процессы, в том числе и технологические, представляют собой класс технических систем, отличительной особенностью которых является существенная зависимость от времени. Можно предложить следующую иерархическую классификацию элементов технологических процессов: план обработки, этап обработки, операция, переход, ход. План обработки складывается из этапов, этапы из операций, операции из переходов, которые формируются из рабочих и вспомогательных ходов. Перед началом формирования плана необходимо выбрать вид заготовки и ее свойства, из которых для проектирования ТП важнейшими являются квалитет точности размеров, припуски и напуски.
Этап обработки представляет собой последовательность операций, принадлежащих к одному технологическому методу и обеспечивающих одинаковое качество обработки. Полный набор этапов, из которых складывается план обработки, зависит от конкретных условий, однако при этом можно выделить следующую базовую совокупность: термический 1 (улучшение, старение); обработка баз; черновой; получистовой; термический 2 (закалка или улучшение); чистовой; термический 3 (азотирование или старение); отделочный; покрытий; доводочный (получение шероховатости до Ra=0,02).
Типаж операций и переходов определен в соответствующих классификаторах, а состав основных свойств — в стандартах ЕСТД.
Проектирование ТП на уровнях формирования последовательности этапов, операций и переходов складывается из двух фаз: структурного и параметрического синтеза. Структурный синтез должен установить последовательность элементов на соответствующем уровне. Задача параметрического синтеза заключается в формировании свойств элементов, включенных в технологический процесс. Основными операциями параметрического синтеза являются выбор средств технологического оснащения (станков, приспособлений, инструмента) и нормирование, включающее расчет режимов обработки.
Источник информации и степень инвариантности знаний структурного синтеза определяются иерархическим уровнем решаемой проблемы: проектирование маршрута изготовления детали (набора этапов и операций) или проектирование операционной технологии (набора переходов обработки КТЭ). В первом случае знания существенно зависят от организационно-технической структуры предприятия и его традиций. Эти знания индивидуальны для каждого предприятия. Во втором случае знания черпаются из справочников, методических пособий и нормативных материалов. Знания этого уровня относительно инвариантны и могут с минимальными изменениями использоваться на различных предприятиях.
Основной целью создания интеллектуальных САПР ТП является простота и удобство представления знаний для структурного и параметрического синтеза.
При проектировании структуры технологических процессов традиционно используются типовые и групповые ТП. Типовые процессы применяются для деталей, обладающих подобием в конструктивном и технологическом плане. С системной точки зрения к числу типовых относятся детали, имеющие одинаковую структуру, то есть набор и связи КТЭ, при различных значениях свойств этих элементов (размеров, свойств материала и т.п.). Групповые процессы используются для деталей, различных в конструктивном отношении, но подобных в технологическом плане. Такие детали обладают различной структурой КТЭ. На основе выбранного множества деталей, входящих в группу, обычно разрабатывают комплексную деталь, включающую все типы элементов, встречающихся у деталей группы. Для такой детали разрабатывается комплексный технологический процесс и формируется общая инструментальная наладка. Рабочий ТП для каждой детали из группы определяется составом ее КТЭ и представляет собой подмножество комплексного ТП.
На рис. 2 представлены схемы моделей различных методов. Типовая модель имеет фиксированную структуру. Структура рабочего процесса в групповой модели формируется путем удаления лишних технологических действий (операций или переходов). Наиболее общей является метамодель, представляющая собой И/ИЛИ-граф. В местах разветвлений на этом графе проставляются условия, определяющие выбор одного из возможных решений.
Рис. 2. Методы структурного синтеза технологических процессов
Если групповая модель строится на базе комплексной детали, то метамодель основывается на виртуальной детали. В отличие от комплексной, виртуальная деталь может не иметь физической реализации. Это происходит в тех случаях, когда в ее состав входят взаимоисключающие элементы, например дополнительные элементы, связанные со шпоночным или шлицевым соединением на одном и том же основном элементе — цилиндрической ступени вала.
Метамодель является наиболее общей, интегрируя в себе типовую и групповую. В отличие от групповой модели, для формирования структуры ТП она использует операции не только удаления, но и замены.
Простейший способ ввода таких знаний заключается в рисовании на экране И/ИЛИ-графа с простановкой в соответствующих местах на его ребрах условий выбора решений. Сам такой граф в целом также имеет условия своего применения. Именно таким образом, доступным для любого технолога, и организовано формирование знаний структурного синтеза в интеллектуальной САПР ТП, разработанной в «СПРУТ-Технологии». На основе такой информации автоматически генерируются программные средства базы знаний, которые затем используются при проектировании ТП. Для общепринятого набора КТЭ с использованием общемашиностроительных нормативных материалов разработана обширная база знаний структурного синтеза операционных технологических процессов токарной, фрезерной и сверлильно-расточной обработки.
Самым простым способом представления знаний параметрического синтеза является использование продукционных систем искусственного интеллекта. В таких системах знания представляются в виде правил-продукций, являющихся аналогами условного предложения естественного языка: ЕСЛИ <условие>, ТО <действие>. Такие правила строятся на базе словаря, содержащего термины технического языка и их условные обозначения (идентификаторы). В качестве действий используются расчеты по формулам, выбор данных из многовходовых таблиц, которые могут содержать как константы, так и формулы, выбор информации из баз данных, генерацию графических изображений и т.д.
Технолог формирует правила параметрического синтеза с помощью специального инструментального средства, экран которого представлен на рис. 3. Работа с помощью этого средства доступна любому непрограммирующему пользователю. После ввода всех необходимых правил автоматически генерируется программное средство базы знаний, которое в дальнейшем используется при проектировании технологических процессов. Базы знаний получаются модульными, открытыми для модернизации и доступными для чтения и понимания любым технологом. Разработаны базы знаний по оснащению и нормированию основных видов технологических процессов.
Рис. 3. Формирование правил параметрического синтеза
Создана интеллектуальная система проектирования технологических процессов, не имеющая аналогов и обеспечивающая достижение всех основных и вспомогательных целей, стоящих перед САПР. Проектирование нового ТП с ее помощью занимает считанные минуты. Технологу с помощью простейшего интерфейса необходимо описать деталь, а затем наблюдать за генерацией технологического процесса, отвечая на редкие запросы компьютера по выбору из допустимого набора тех решений, которые невозможно формализовать. В заключение производится автоматическая генерация технологической документации с использованием форм документов, принятых на предприятии.
Качество спроектированного ТП практически не зависит от квалификации технолога и определяется содержимым баз знаний.
Генерация баз знаний не требует знаний по программированию и доступна широкому кругу специалистов.