АВТОМАТИЗАЦИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ. Непрерывный НТП и связанное с ним непрерывное увеличение количе- ства и сложности изделий, а также старение приводит к резкому возрастанию трудоемкости и сложности конструктивных и технологических работ. Наблю- дающаяся тенденция к увеличению роли инженерного труда в общей трудоем- кости изделий прогрессивно возрастает. Одной из основных причин такого положения является несоответствие между уровнем и темпами автоматизации и механизации физического труда и автоматизации процессов проектирования. Технологическая подготовка производства новых изделий характеризуется большой трудоемкостью и длительными сроками проведения проектных работ. На предприятиях и в проектно-технологических институтах разрабатывается от нескольких тысяч до сочен тысяч технологических процессов в год. Затраты времени на проектирование операционных технологий на одну деталь в зави- симости от ее сложности от 5-6 часов до нескольких недель. Еще большее время необходимо для разработки управляющих программ для станков с ЧПУ. В связи с этим, общее время на разработку операционных технологий и подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ значительно превышает время из- готовления самой детали. В этих условиях традиционные методы проектирова- ния не могут обеспечивать своевременного и качественного выполнения работ по технологической подготовке производства изделий и приходит в противоре- чие с требованиями НТП. В настоящее время остановить прогрессивный рост численности ИТР, сократить стоимость и сроки технологической подготовки производства возможно только на основе создания АС технологического проек- тирования. За последние годы в различных организациях было разработано и прошло опытно-промышленную проверку большое число программ решения на ЭВМ технологических задач, таких, как расчет режимов резания, норм времени, проектирования процессов обработки деталей типа тела вращения, деталей металлоконструкций и корпу- сов редуктора. Успешно применяется ЭВМ для подготовки управляющих про- грамм для станков с ЧПУ, а также для проектирования операционной техноло- гии на токарных автоматах, конструирование сложнорежущих инструментов. В методологическом плане большинство указанных работ базируется на обобще- нии опыта проектирования тех. процессов на конкретном предприятии. Приме- нение методов стилизации и групповой технологии, построение методик про- ектирования индивидуальных тех. процессов, использование методов оптими- зации для выбора рациональных решений на различных стадиях проектирова- ния. Особенно эффективны программы автоматизации проектирования техно- логических процессов, базирующихся на групповом методе, т.к. в этом случае за основу принимаются прогрессивные технологические процессы и быстропере- налаживаемая оснастка. Такой подход хорошо оправдал себя при автоматизации проектировки деталей, имеющих типовую конфигурацию. Дальнейшее развитие работ по ав- томатизации проектирования технологической обработки более сложных дета- лей натолкнется на серьезные трудности. Они в первую очередь связаны с не- достаточно разработанной теории проектирования технологических процессов, пригодной для математического моделирования и алгоритмизации процессов проектирования. В технологической науке еще не выделяются аналитические и логические зависимости, связывающие параметры обработки деталей со струк- турой и характерами технологического процесса и оснастки для ее изготовле- ния. Основное внимание в технологии уделялось задачам анализа технологиче- ского процесса с целью выявления влияния различных факторов на точность, производительность и экономическую эффективность обработки деталей. В то же время методы синтеза технологического процесса на основе характеристик обрабатываемой детали и производства системы, в условиях которой необходи- мо реализовать технологический процесс, исследовалась еще недостаточно. Создание теории проектирования предполагало переход от традиционных за- дач анализа и эмпирических классификаций к проблематике задач синтеза тех- нологических процессов. Трудность решений данных задач в рамках традици- онных подходов заключается в большой сложности и многогранности пробле- мы проектирования и не сводимости ее к совокупности отдельных, хотя и важ- ных, расчетных и аналитических задач. Проектирование выступает как ком- плексная проблема, в которой в сложной взаимосвязи переплетаются задачи синтеза, моделирования, анализа, оценки, оптимизации и отбора вариантов. Для решения таких сложных задач необходимо применение методологии сис- темного подхода. Системный подход исходит из того, что специфика сложных объектов и процессов не исчерпывает особенности составляющих его частей и элементов, а заключена в характере связей и отношений между ними. Расширяя исходные базы за счет введения таких понятий, как структура, функция, органи- зация, связь, отношение обеспечивает определенные преимущества системному подходу перед традиционными методами исследования и позволяет создавать более адекватные действительности модели сложных объектов технологических процессов проектирования. ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ РАЗРАБОТКИ ТЕХПРОЦЕССОВ При автоматизации разработки технологических процессов основные усилия должны быть на повышение эффективности как самой автоматизации, так и технологических процессов, обеспечивать улучшение качества продукции, снижение трудовых затрат и повышение производительности труда. При разра- ботке методики решения задач, использующих технологические основы, а ме- тодика берется на типовых и групповых процессах в ТР с использованием ста- тистическтических и аналитических методов исследования точности. Исходную информацию и параметры разработки процесса получают путем теоретических экспериментальных исследований, а также производственных наблюдений. Переработка исходной информации на ЭВМ может быть проведена с оптими- зацией или без нее путем получения наилучшего варианта процесса по опреде- ленному критерию. В результате переработки информации получают типовые и индивидуальные решения. Индивидуальные решения используют для конкрет- ных производственных ситуаций, а типовые могут служить основой для разра- ботки нормативных материалов и справочных данных. При автоматизации раз- работки используют типовые процессы и решения. На ЭВМ могут быть получе- ны и типовые решения, которые в дальнейшем могут служить исходной инфор- мацией для разработки технологий других процессов. Критерием эффективно- сти обычно является себестоимость или производительность технологического процесса. В основе разработки ТП лежат 2 принципа: технический и экономи- ческий. В соответствии с экономическим принципом изготовление изделия должно вестись с минимальными затратами труда и минимумом издержек про- изводства. Из нескольких возможных вариантов ТП изготовления изделия, рав- ноценных с позиций технического принципа, лежащего в основе разработки, выбирают наиболее производительный и рентабельный вариант, При равной производительности спроектированных вариантов выбирают наиболее рента- бельный, а при равной рентабельности - наиболее производительный. При раз- ных производительностях и рентабельностях выбирают наиболее рентабельный вариант, при условии, что производительность всех вариантов не ниже задан- ной. В ряде случаев за основу может быть принят наиболее производительный вариант. Выявление производительного и рентабельного техпроцесса ведут по всем элементам, из которых они складываются. РАЗРАБОТКА ТП С ПОМОЩЬЮ ЭВМ Чертеж Исходные Чертеж параметры Промежуточные параметры 1 Выбор заготовки 1 Выбор заготовки ТП 2 Выбор маршрута 2 Выбор маршрута ТП обработки детали обработки пов-ти ТП 3 Выбор последо- преобразую- 3 Выбор последо- ТП вательности ста- щая система вательности ста- ночных операций ночных операций 4 Формирование ТП 4 формирование по- следовательности операций 5 формирование 5 формирование технической Конечные технической документации параметры документации 6 Производственная 6 Производственная корректировка корректировка Деталь Заданные свойства изделия или детали за счет преобразующей системы пре- вращаются вначале в промежуточное свойство, а затем в конечное, которое должно соответствовать заданным свойствам детали. Схема состоит из правой и левой части, представляющей методы разработки ТП разными способами. В левой частя за базу принимают ТП, которые берут за основу автоматизации построения технологического маршрута обработки деталей. Построение ста- ночных операций берут с учетом оптимизации, при этом оптимизацию прово- дят только для тех операций, которые обеспечат эффективность процесса обра- ботки. Для оставшихся операций всю информацию принимают по норматив- ным или заводским данным и вводят в ОП ЭВМ. При оптимизации использу- ют также ТП, например, маршрут обработки отверстия заданной точности мерным инструментом, сверление, зенкование, развертывание и т.п. В конце проектирования формируется ТП для конкретных условий с учетом его оптими- зации. В правой части схемы предусмотрено сначала построение маршрута об- работки отдельных поверхностей, а затем на основе нормативного множества станочных переходов формируются станочные операции. Для определения не- обходимо иметь типовые решения. Этот метод применяется, когда трудно раз- работать технологический процесс на основе имеющегося типового ТП. Т.о. при автоматизированной разработке используются типовые решения и прово- дят их анализ и оптимизацию с учетом производственных условий, а также соз- дают конкретную оптимизацию ТП и решения на основе положений техноло- гии. ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ ТП С ПОМОЩЬЮ ЭВМ Всякое технологическое решение, прежде чем стать документом, проходит 2 основные стадии: на первой - проектной - решение отрабатывают исходя из технико-экономических показателей определенного производственного участка с учетом имеющегося номенклатурного оборудования и инструментов. На вто- рой- внедрение - первоначальный вариант корректируется с учетом ряда техниче- ских и организационных задач (загрузки оборудования, последовательность запуска изделия в производство и т.д.). Разрабатывается наиболее лучший из вариантов технологического решения, которое обеспечивает выполнение за- данных чертежей технологических условий на деталь и минимальных затрат времени и средств. Объем работ на второй стадии в значительной степени зави- сит от качества работ. Определение продолжительности, качества и длитель- ности 2-й стадии технологического решения является по своему характеру элементом проектной стадии. Автоматизация разработки ТП включает в себя ряд последовательных этапов: разработка методики проектирования; опреде- ление исходных данных и исходных ограничений; разработка алгоритмов, про- граммирование; внедрение. При разработке алгоритмов необходимо знать ма- тематические методы. Анализ исходных методов технологического исследова- ния показывает, что наиболее полно отвечает поставленным требованиям метод математического моделирования в сочетании с теоретическими и эксперимен- тальными исследованиями, а также с производственными наблюдениями. Дос- тоинством этого метода является его большая универсальность и возможность математической оптимизации процесса. Исследуя экспериментальную и тео- ретическую зависимости можно моделировать определенные технологические задачи с целью оптимизации параметров обработки. Математическая модель ТП может быть представлена в виде совокупности формул, уравнений, нера- венств, отображать механические, физические и другие закономерности, при- сущие реальному процессу. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ СЛОЖ- НЫХ ОБЪЕКТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЮ СЛОЖНЫХ ОБЪ- ЕКТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОЦЕССОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Техпроцессы и их компоненты относятся к числу сложных. Они характе- ризуются большим числом элементов, сложными пространственно- временными связями, зависимостью общих свойств объекта не только от свойств составляющих его элементов, но и от характера связей между ними. Более сложными являются процессы и системы автоматизации технологическо- го проектирования, состоящие из большого числа взаимосвязанных проектных операций, осуществляющих поиск, анализ, синтез, оценку, оптимизацию и вы- бор технологических решений на различных стадиях проектирования. Традици- онные методы изучения и формализации сложных методов и объектов, при ко- торых основное внимание уделяется качественному и количественному описа- нию свойств объектов и составляющих их частей, не позволяют строить адек- ватные модели, отображающие связи объектов с окружающей средой, их функ- цию и многоуровневую структуру. В то же время, указанные характеристики объектов оказывают решающее влияние на вид и структуру алгоритмов процес- са проектирования. В связи с этим все большее значение для дальнейшего раз- вития теории и методов проектирования приобретает системный подход к объ- ектам производства, техпроцессам и процессам проектирования. В отличие от традиционных методов формализации системный подход исходит из того, что специфика сложных объектов и процессов не исчерпывается свойствами их составляющих, а обусловлена характером связей и отношений между элемента- ми. В системных исследованиях можно выделить 3 основных направления: структурно-функциональный анализ, структурализм, непосредственно систем- ный подход. Эти направления отличаются тем, что рассматривают различные стороны объекта как системы. Структурно-функциональный анализ изучает сложноорганизованные объекты с точки зрения выполняемых ими функций по отношению к более сложным системам, в состав которых они входят. Различные свойства объекта синтезируются в целостную картину при помощи совокупности функций. Это позволяет представить объект как организованную структуру и перейти к изу- чению ее структуры в организации. В структурно-функциональном анализе ос- новную нагрузку несет понятие функции, а структура объектов и процессов как бы постулируется. В структурных исследованиях изучается проблематика цело- стности, расширяется понятие о связях и их топологии. Принцип целостности нашел конкретное воплощение в выдвижении на передний план понятия струк- туры как ингреантной характеристики сложного объекта. Понятие структуры связано с осознанием иерархичности построения сложных объектов и процес- сов. Выдвигаются задачи выявления и классификации типов связей, формули- руются требования комплексного подхода, учитывающего различные виды свя- зей в сложноорганизованном объекте. В связи с этим в структурных исследова- ниях основной упор делается на изучении структуры, а функциональная сущ- ность ее частей берется как одна из предпосылок. В системном подходе поня- тие "система" является более широким, оно включает в себя в качестве состав- ляющих такие понятия, как "структура", "функция", В системном подходе по- нятие "система" является более широким, оно включает в себя в качестве со- ставляющих такие понятия, как "структура", "функция", "состояние", "связь", "элемент", "отношение" и "управление". Это однозначное преимущество сис- темного подхода перед традиционными методами исследования. В связи с этим системный подход служит методом комплексного изучения сложных объектов и процессов со стороны того, как они устроены, в каких отношениях и связях находятся их части, какова функция частей объекта в целом, каков характер и взаимодействия с окружающей средой. Для системного подхода свойственно углубленное внимание к разработке методологического аппарата. Специфиче- ской чертой этой методики является стремление основать ее на принципе Изо- морфизма законов в различных областях знаний. Один из основоположников общей теории систем Берталанфид считал, что выявление законов и соотноше- ний, общих для различных объектов и процессов - главная ее задача. Отсюда вытекает тезис о междисциплинарном характере системного подхода и о воз- можности переноса законов и понятий из одной области знаний в другую. Осо- бое место в системных исследованиях занимает кибернетика. В ней широко используется понятийный аппарат системного подхода, но, несмотря на это, кибернетика обладает своим собственным предметом исследования и, являясь наукой об управлении, рассматривает в первую очередь одну важную сторону функционирования системы - регулятивную, в то время как для системного подхода характерно комплексное изучение объекта, охватывающее различные стороны его функционирования. К понятию системного подхода относятся объ- екты и процессы любой природы, которые можно условно или физически рас- членить на совокупность более простых, взаимосвязанных между собой, частей, выступающих как единое целое. Отношение характеризует связи между частями и их свойствами, посредством которых части и элементы объединены в систему. В свою очередь каждая полученная часть мо- жет рассматриваться как сложный объект, состоящий из более простых элемен- тов. В связи с этим к категории систем относятся не все объекты и процессы, а только те, которые состоят из отдельных частей и элементов и обладают цело- стным характером функционирования. Свойства и функции системы объектов не сводятся непосредственно к сумме свойств и функций составляющих их эле- ментов. Они обладают новыми функциями и свойствами, которых может и не быть у отдельных элементов. В дальнейшем сложные объекты и технологиче- ские процессы их изготовления будем рассматривать как технические системы (ТС) или Т-системы. ТС в САПР определяются пятью характеристиками: T={H,F,S,U,Z} H - связи системы с окружающей средой, F - набор выполняемых функций, S - структура системы, U - история функционирования и развития системы, Z - совокупность функциональных и структурных свойств системы. Данные характеристики относятся к числу системных и определяют наиболее сущест- венные черты в строении и функционировании сложных объектов и процессов. Для того, чтобы техпроцессы и процессы проектирования можно было бы отне- сти к категории системных, необходимо показать, что они обладают указанны- ми системными характеристиками. Техпроцесс можно рассматривать как часть производственного процесса, связанного с качественным изменением состоя- ния объектов производства. В этом определении подчеркивается целостность производства и его функция. Большое внимание изучению связей элементов ТП позволяет понять сущность и назначение процесса. Под структурой ТП можно понимать строение процесса, обеспечивающее определенную связь и сочетание основных и вспомогательных переходов и потоков. Таким образом, ТП со стороны целост- ности характеризуется как относительная обособленная часть производствен- ного процесса связанная с другими ее частями, со стороны функции - как процесс качественного и количественного преобразования объекта производст- ва из состояния заготовок в состояние готовых деталей, со стороны структуры - как совокупность взаимосвязанных операций и переходов. Аналогичными системными характеристиками обладают процессы проектирования. Так, функция проектного процесса заключается в преобразовании сведений о дета- лях в наиболее рациональное для заданных условий технологический процесс их изготовления. Структура процессов проектирования на САПР характеризует- ся совокупностью моделей и алгоритмов описывающих информационные, ло- гические и функциональные связи проектных операций, процедур и модулей. Важной системной характеристикой САПР ТП является ее история, включающая накопленный и обобщенный опыт проектирования, изменения и усовершенствования структуры алгоритмов и программ, выбора решений. Исто- рия Т-системы описывает свойства и режим эксплуатации ,а также ее состоя- ние после ремонта, модернизации и в текущий момент времени. Процессы, об- ладающие совокупностью указанных свойств, рассматриваются как системные. Это дает возможность при разработке методов анализа и синтеза процессов опираться на аппарат кибернетики и теорию систем. По сравнению с традици- онными методами системный подход позволяет на единой методологической основе разрабатывать методы проектирования систем, строить модели и фор- мализованные языки их описания, а также осуществлять проектирование САПР ТП как сложной человеко-машинной системы. СВЯЗЬ СИСТЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ И ПРОЦЕССОВ С ОКРУ- ЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ Функциональная целостность и относительная выделенность Т-систем предусматривает наличие связей между системой и окружающей средой. К ок- ружающей среде относится совокупность объектов и систем, оказывающих влияние на рассматриваемую систему или зависящих от характера ее функцио- нирования. Т-системы связаны с каждой из систем окружающей Среды, как правило, не одним, а несколькими видами связей и отношений. Так, для Техно- логических процессов характерны материальные, энергические, информацион- ные связи с системами окружающей среды. Узел или сборочная единица связа- ны с другими узлами, образующими окружающую среду, конструктивными, кинематическими и размерными связями, поэтому для правильного понимания взаимодействия системных объектов с окружающей средой необходим синте- тический охват и учет влияния различных видов связей. В кибернетическом плане техпроцесс изготовления детали в системе оперативного управления производственным участком представляет собой объект управления. На его входы поступают заготовки и управляющая информация. Одна часть этой ин- формации включает плановое задание, определяет календарные сроки запуска и выпуска деталей, а вторая -- технологическую документацию, содержащую алгоритм и программы управления процессом изготовления детали на различ- ных операциях. К выходам системы относятся готовые детали и информация о фактическом времени их изготовления, а также технологические отклонения. Эта информация поступает в систему оперативного управления производством и в службы технологической подготовки производства. Таким образом, окру- жающей средой для техпроцессов будут заготовительные и сборочные цеха, службы технологической подготовки и оперативного управления производст- вом. Схема связей техпроцесса с окружающей средой имеет вид: ТО - технологические отклонения, ОП - отклонения от планируемого, 3 - заготовка, Пл - план, ТД - технологическая документация, РВ - регулирующее воздействие. Математической моделью, отображающей множественный характер свя- зей Т-системы с каждой из систем окружающей среды, служит мультиграф. Множеству его вершин соответствует рассматриваемая система взаимодейст- вующие с ней системы окружающей среды, а множеству дуг - связи и отноше- ния. В мультиграфе каждую пару вершин связывает не одна, а несколько дуг в соответствии с числом связей между ними. Модель связей технологического процесса с различными подразделениями предприятия имеет следующий вид: В конструкциях машин и приборов применяется разнообразные типы непод- вижных и подвижных соединений. В связи с этим, для автоматизации проекти- рования становится актуальна задача систематизации их формализованных свя- зей и соединений. Процессы технологического проектирования, протекающие в САПР ТП, также осуществляются на основе обмена информацией с другими системами и службами предприятия. На входе исходной информацией для про- ектирования служат чертежи, спецификации изделий, плановые задания, по- ступающие в АСУ из конструкторских служб, на выходе -разработанная тех- нология передается в АСУ и производственные подразделения предприятия. В процессе автоматизированной разработки технологии осуществляется двусто- ронний обмен информацией между САПР ТП и САПР оснастки. В эти системы поступают задания на проектирование оригинальных приспособлений, инстру- ментов, штампов. Основные характеристики спроектированной оснастки, необ- ходимые для дальнейшей разработки технологического процесса, передаются в обратном направлении в САПР ТП. Среди различных типов связей системных объектов с окружающей сре- дой особо выделяются входные и выходные воздействия. Они обеспечивают активное взаимодействие объектов с окружающей средой и во многом опреде- ляют его функцию. Конструктивные и размерные связи обеспечивают правиль- ное взаимное расположение и необходимую степень свободы, т.е. направлены на выполнение функций с соблюдением заданных параметров. ФУНКЦИИ СИСТЕМЫ Функцию определяют как способность к целесообразной деятельности в более сложной системе , в которую она входит. Целесообразная деятельность характеризуется совокупностью таких реакций системы на изменение, проис- ходящее во внешней среде и внутри системы, которые делают функционирова- ние направленным на достижение определенной цели. В Т-системах (станках с адаптивным управлением) эти изменения фиксируются специальными датчи- ками, передающих информацию о состоянии внешней и внутренней среды в управляющее устройство системы. Управляющее устройство вырабатывает реакции на возни- кающие в среде изменения, т.е. определяет режимы обработки, обеспечиваю- щие наибольшую производительность или наименьшую себестоимость при дос- тижении требуемой точности обработки. Функции технических систем жестко предопределены конструкцией на стадии проектирования, или могут быть за- программированы (станки с ЧПУ). Детали машин выполняют разные функции (крепление, фиксация, разделение и т. д.) Функция каждой детали направлена на выполнение общей функции узла, в который она входит. Также функции от- дельных узлов направлены на обеспечение функции машины в целом. Т.о. функция Т-системы или отдельного ее элемента - такое их отношение с други- ми элементами, которое определяет взаимозависимость части и целого, делает функционирование элемента направленным и целесообразным. Для объектов - преобразователей, связанных с другими объектами посредством входов и выхо- дов, функция определяет преобразование множества входов во множество вы- ходов: X= {Xi} j : {Xi}R{Yi} Y= {Yi} Системное определение функции отражает не только количественную, но и качественную сторону зависимости части и целого. Функция технологиче- ского процесса заключается в преобразовании детали из исходного состояния в конечное, определенное чертежом. jтп:C0RCК Исходное состояние (С0) задается набором параметров, характеризую- щим форму и размер заготовки, материал и его механические свойства. Конеч- ное состояние (Ск) определяет форму, размеры, точность и физикомеханиче- ские свойства готовой детали. Для процессов сборки С0 характеризуется мно- жеством деталей и сборочных единиц, входящих в состав изделия. Ск - опреде- ляет собранные изделия. jсборки: {Д, СБ}R изделие Преобразование j - сложное. В соответствии с разделением техноло- гического процесса на операции общая функция расчленяется на совокупность функций отдельных операций. Функция каждой операции заключается в преоб- разовании детали из одного промежуточного состояния в другое. ji :Ci-1RCi Преобразование j соответствует виду технологической операции, про- межуточное состояние Сi характеризует форму, межоперационные размеры детали и их точность, физико-механические свойства поверхности, полученные в результате выполнения i-той операции. Состояние Сi-1 обозначает указанное данное свойство заготовки, поступившей на данную операцию. Для реализации операции функции требуется выполнить определенное число переходов. Функ- ция основного перехода состоит в преобразовании обрабатываемой поверхно- сти из одного состояния в другое. yj : Cj-1R Cj yj - вид перехода (точить, шлифовать). Cj-1 и Cj - состояния поверхно- сти до и после выполнения перехода. Т.о. каждому структурному элементу тех- нического процесса соответствует своя функция. Расчленение его на операции, переходы, приемы, команды управления, приводят к расчленению общей функ- ции на определенные подфункции. Функция процесса проектирования, реали- зованная в САПР ТП системой алгоритмов и программ, характеризует преоб- разование сведений об обрабатываемой детали в программе выпуска и произво- дительности системы предприятия в информационной модели технологиче- ских процессов, наиболее рациональных для данных производственных усло- вий. j:{(D,N),ПС}RТП Преобразование является сложным и расчленяется на ряд проектных си- туаций: поиск аналогов, синтез решений, имитационное моделирование, опти- мизация и т.д. Для реализации одной и той же функции могут быть созданы системы с различной структурой, обладающие разные технологическими харак- теристиками. Например обработку детали можно производить с помощью раз- личных по структуре технологических процессов. Это обстоятельство приводит к многовариантности задач - синтезу сложных объектов и технологических процессов на основе заданной функции. СТРУКТУРА Т- СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ ПРОЕКТИРОВА- НИЯ Качественное определение Т-систем обусловлено их структурой, под которой понимается совокупность устойчивых отношений между частями цело- го объекта или процесса. Относительная выделенность частей системы и их взаимосвязь - 2 про- тивоположности. В связи с этим структуру необходимо рассматривать как единство противоположных сторон расчлененности и целостности. Расчленен- ность отражает одну из общих сторон в структуре и характеризуется качествен- ной спецификой частей системы и их количеством. Для каждой системы суще- ствует несколько способов расчленения на подсистемы и элементы. Так техно- логический процесс можно по-разному расчленить на операции, а операции на остановы и переходы. Изменение качественного состава и количества операций при переходе от одного способа расчленения к другому вызывает изменение структуры технологического процесса. Это справедливо и для сложных объек- тов: металлорежущий станок по функциональным признакам расчленяется на несколько узлов (суппорт, станина ...). При другом способе тот же станок делят на механические, электро-механические, гидравлические узлы. Т.о. способ рас- членения системы характеризуется множеством ее компонентов и их качест- венной спецификой, описываемой набором параметров: z={z1,....,zn} Для процессов проектирования также может быть не один, а несколько способов расчленения проектной задачи на компоненты разной сложности. Так, при одном способе расчленения в основу принимается вид проектной опе- рации. При этом процесс проектирования делится на проектные операции (синтез решений, оптимизация, моделирование, анализ и т.д.). При другом спо- собе расчленения задача проектирования делится на подзадачи по функцио- нальному признаку (общая задача проектирования операции технологии делит- ся на определение формы и размеров детали заготовки, структуры операции). Расчлененность характеризуется ступенчатостью, простирающуюся в каждой структуре на разную глубину. Применив к исходной системе определенный способ расчленения полу- чим множество подсистем первого уровня. На втором для деления каждой под- системы можно использовать свой признак. В результате последнего расчлене- ния получим граф структурного состава системы. Вершины последнего уровня - базовые структурные элементы объектов и процессов, дальнейшее расчлене- ние которых нецелесообразно с точки зрения характера решаемых задач. Для станков с ручным управлением тех. процесс делится до переходов, а для стан- ков с ЧПУ - до команд управления. Выбор способа расчленения системы за- висит от типа решаемых задач. Правильное исходное расчленение объекта или процесса позволит наиболее просто решать задачи синтеза Т-систем и процес- сов. Тогда как нерациональное расчленение сильно усложнит эти задачи или сделает невозможным их решение. При каждом способе расчленения получает- ся различное число качественно-специфических частей с разным характером взаимного расположения. Поэтому для однозначного задания структуры систе- мы необходимо указать способ ее расчленения. Каждому способу расчленения соответствует определенный тип взаимосвязи частей системы, своя форма целостности. Целостность - вторая сторона структуры. Если системность подразуме- вает наличие связи между компонентами объектов, а также между объектом и определенной средой, то целостность характеризует силу и сущность внутрен- них связей, по сравнению с внешними связями с окружающей средой. Это обстоятельство и создает качественную определенность и выделенность объек- та как системы. Виды и количества связей между частями системы во многом зависят от их природы. Каковы части и их взаимное расположения - таков ха- рактер связей и взаимодействия между ними. В сложных объектах (механических узлах) существуют кинематические, конструктивные и размер- ные связи между его частями и соответствующих им 3 вида структур. Т.о. структура выступает как определенный закон взаимосвязи частей сложных объектов и процессов, как инвариантный аспект системы. В то время как сис- тема представляет собой качественно определенную целостность, характери- зующуюся множеством взаимосвязей структур. Для построения моделей структур сложных объектов, технологических процессов необходимо выбрать математический аппарат, наиболее просто и адекватно отражающий способы расчленения и различных видов взаимосвязи между их частями. Самая удобная - теория графов и отношений. МОДЕЛИ СТРУКТУР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА. Функциональные связи операций процесса характеризуют состояние детали, поступающей с предыдущей операции на последующую и описываемую отно- шением: Сi-1=ji Сi Совокупность взаимосвязанных отношений, у которых правый элемент одного - левый элемент другого отношения: Сi=ji+1 Сi+1 Образуют граф функциональной структуры. Вершинам графа соответствуют состояния деталей, а дугами обознача- ются операции или переходы. Функциональная структура определяет частично упорядоченную последовательность преобразования детали из состояния заго- товки в конечное. Например: Она обозначает порядок преобразования. Вначале деталь из состояния заготовки С0 посредством операции j1 преобразуется в состояние С1 . Далее возможны операции j1 и j3 . С точки зрения точностной характеристики де- тали порядок выполнения безразличен. С помощью j4 преобразуется в состоя- ние С4 . Порядок выполнения j6 и j7 безразличен. Но только после них выпол- няется j8 . Окончательный порядок операции задается временной структурой про- цесса. Временная упорядоченность элементов в процессе задается 3 типами отношений : аi r аi+1 или аi аi+1 последовательное выполнение аi w аi+1 одновременное выполнение аi t ai+1 сдвиг во времени на величину t Совокупность указанных отношений образуют гиперграф временной структуры технологического процесса. Множество структур графа соответст- вуют операциям, переходам, приемам, а множество дуг - отношениям, отобра- жающим соответствующую последовательность, одновременное или со сдвигом фаз выполнение операций. Например один из вариантов временной структуры процесса обработки детали, соответствующий этой формуле будет выглядеть: Sj= j1 ( j2 w j3 ) j4 ( j5 w j6 ) t j7 w j8 Из формулы следует, что j2 и j3 выполняются одновременно, а также и j5 и j6 одновременно между собой, j1 и j4 последовательно, а j7 сдвинуто и одновременно с j8 . Пространственная структура Т-систем описывается гра- фом, множество вершин которого соответствуют элементам системы, а множе- ство дуг - отношение, определяющее взаимное расположение элементов в про- странстве, их размерные связи. Граф пространственной структуры оперативно характеризует компоновку элементов - взаимное расположение в пространстве, а также размеры связи между ними. Различное расположение частей в слож- ных объектах оказывает различное влияние на их структуру. Изменение про- странственного расположения приводит к разным структурным схемам. Раз- личные по структуре будут и детали, состоящие из одних и тех же элементов. Процессы проектирования характеризуются иерархической, информационной и логико-функциональной структурой. 1-ый вид - отношение одних задач в другие, 2-й - информационные связи между задачами и проектными операция- ми. С помощью логико-функциональной структуры описываются логика взаи- модействия задач и проектных операций. Т.е. алгоритм процесса проектирова- ния на различных уровнях расчленения. При многоуровневом расчленении на- блюдается прямая связь с периодами перехода друг в друга расчлененности и целостности. Т.о. расчлененность - отрицание простой целостности системы и переход к новой ее форме на качественно более глубоком уровне расчлененно- сти. В результате применения системно-структурного анализа формируется пред- ставление о сложной целостной структуре объектов и процессов. ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ Качественные и количественные характеристики системных объектов и процессов задаются совокупностью функционально-структурных свойств, они характеризуют те стороны системы, которые связаны с ее функционированием и структурой. На различных уровнях расчленения сломанных процессов указан- ные свойства описываются своим множеством параметров Zk = {Z1, Z2, ... , Zn }, где Zi - параметр, описывающий определенное функциональное свойство объ- екта k-го уровня расчленения. Так, отдельная операция определяется типом размером станка, установочно-зажимного приспособления, типом наладки, составом и количеством переходов, операционным и подготовительно- заключительным временем, себестоимостью и разрядом работ: Zоп={Ст, Пр, Нл, m, Топ, Тпз, C, Р }. Совокупность функционально-структурных свойств образуют техниче- скую характеристику Т-системы. Так, например, для металлорежущих станков техническая характеристика задается размером рабочей зоны для установки детали, величинами перемещения рабочих органов и рядом чисел оборотов и подач. Функционально-структурные свойства комплексов САПР задаются на- бором параметров и выражений, определяющих объем программы, машинное время решения задачи, точность вычисления искомых параметров. Таким обра- зом, помощью Z описываются характеристики вершин графа иерархической структуры сложного объекта или процесса на всех уровнях расчленения. Функ- циональные свойства Т-систем, как правило, не сводятся к сумме свойств со- ставляющих их частей. Благодаря структурным связям частей в системе они обладают принципиально новыми системными свойствами, которых может и не быть у отдельных ее частей. Системность и синтетический характер функ- циональных свойств проявляется в том, что эти свойства зависят не только от свойств составляющих систему частей, но и от структуры системы в целом, т.е. от характера взаимосвязей ее частей. Так, например, операционное время вы- числяется на основе длительности отдельных видов ходов и графической структуры операции по алгоритму нахождения критического пути. Точностные параметры состояния детали после выполнения операции в соответствии с принципом совмещения конструкторских баз с технологическими определяет- ся не только точностью выполнения размеров в отдельных переходах, но и структурой выполнения операции, т.е. порядком выполнения переходов. Функ- циональные характеристики механических систем зависят от аналитических параметров отдельных кинематических пар и от целостной структуры механиз- ма. Характеристики программ проектирования также не аддитивны и зависят не только от количества операторов проектируемой задачи и значений пара- метров для каждого оператора, но и от характера связей между элементами, т.е. от целостной структуры проектной задачи. ИСТОРИЯ Т-СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Рассмотренные системные характеристики отражают состояние системы в определенный период времени. В процессе эксплуатации система претерпе- вает определенные изменения. Одни изменения ухудшают значении функцио- нальных свойств, понижают точность, надежность, другие (ремонт, модерниза- ция) приводят к восстановлению работоспособности, совершенствованию и развитию системы. Совокупность длительных, в ряде случаев необратимых, изменений системы в процессе эксплуатации составляют ее историю. Для тех- процессов, особенно в условиях серийного и массового производства, история характеризуется упорядоченной совокупностью усовершенствований, осуществ- ляющихся за счет внедрения новых, более прогрессивных методов и режимов обработки, оборудования, инструментов и приспособлений, ремонта и модер- низации существующего оборудования и оснастки. В результате этих изменений Т-система в процессе эксплуатации проходит ряд состояний: исходное, состояние после определен- ного периода эксплуатации, состояние после ремонта и состояние после мо- дернизации. Указанные состояния задаются набором параметров , описываю- щих достижимую точность обработки, производительность, надежность, а так- же дополнительные функциональные возможности, появившиеся после усо- вершенствования или модернизации. Историю Т-системы задают в виде после- довательности изменений, преобразований системы из исходного состояния в текущее, например. историю по эксплуатации поточной линии, подвергшейся ремонту и модернизации, можно описать следующим образом: И=Сu h1 C1 r Cr m Cm h2 C2 h1 и h2 - изменения, возникшие в процессе эксплуатации, С - состояние после первого и второго периода эксплуатации, модернизации и ремонта. Таким образом, знание истории эксплуатации оборудования и текущего его состояния дает возможность составить объективный алгоритм выбора рациональной мо- дели в зависимости от требуемой точности. Еще большее значение история функционирования имеет для САПР ТП, в которой прошлый опыт проектиро- вания часто принимается за основу при выборе решения. В САПР ТП накоплен- ный опыт проектирования в первую очередь включает массивы ранее спроекти- рованных технологических процессов и оснастки для обработки оригинальных деталей а также массивов групповых и типовых процессов. История САПР ТП связана с нахождением и обобщением опыта разработок, усовершенствования программ проектирования, обновлением информационных массивов и улучше- нием их организации. Совокупность технологических программ, информаци- онных массивов и применяемых технических средств характеризует состояние САПР ТП. История описывается упорядоченной совокупностью преобразова- ний указанных компонентов системы и возникающих при этом состояний САПР ТП. Преобразования включают в себя действия по накоплению и обоб- щенно опыта проектирования, обучению и адаптации программ, модернизации и замены элементов технического комплекса системы. Указанные действия производятся периодически обслуживающим персоналом, программами обуче- ния и адаптации. В результате реализации указанных мероприятий повышается качество функционирования системы автоматизации проектирования, а исто- рия САПР ТП становится существенной чертой ее полезности. ОБЩАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ Т-СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Общая математическая модель Т-систем и процессов проектирования может быть задана двумя группами соотношений: первая определяет состав системных характеристик и описание объекта как целого и его компонент на разных уровнях расчленения В этой модели выделены 3 типа объектов: системный объект как целое, объекты промежуточных уровней расчленения и базовый объект. Указанные объекты отличаются составом системных характеристик, необходимых для их описания. В первой строке модели задаются характеристика системы в целом, т.е. рассматривается ее связь с окружающей средой, функция, свойства, струк- турный состав системы, история функционирования, а также функциональные и другие виды структур. Компонентами этих структур являются объекты, непо- средственно образующие систему. Следующие отношения описывают функцию, свойства и структуру объектов на промежуточных уровнях расчленения, для них связи с окружающей средой не задаются, т.к. они вошли в описание струк- туры более сложных объектов предыдущего уровня. История функционирования как правило, также относится к системе в целом и поэтому при описании от- дельных компонент не указывается. Последнее соотношение задает функцию и функционально-структурные свой- ства базовых объектов и процессов на последнем уровне расчленения, когда знание структуры объектов для решения поставленных задач не требуется. Сле- дующие соотношения описывают модели каждой из системных характеристик для объектов различного уровня расчленения: Системные характеристики объекта или процесса как целого характери- зуются наибольшей степенью интеграции. Чем глубже уровень расчленения, тем детальнее представляется структура, функция и свойства компонент сис- темы. На последнем уровне расчленения достигается наибольшая степень дета- лизации системных характеристик. Для решения конкретных задач САПР ТП не всегда нужны все системные характеристики обрабатываемой детали, по- этому на основе общей системной модели могут быть построены различные частные модели, содержащие описание только некоторых характеристик с требуемой степенью детализации.