МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕОРИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ В технологической науке и практике накопилось большое количество экспериментальных данных и фактов, которые учитываются при проектировании новых технологических процессов. В настоящее время в связи с автоматизацией проектирования возникла острая необходимость осмысления накопленного опыта и построения теории технологического проектирования, раскрывающей основные закономерности проектирования процесса и служащей научным фундаментом создаваемых САПР ТП. Теорию будем строить не столько снизу за счет обобщения полученных результатов, сколько сверху до отношению к ним, т.е. путем дедуктивного построения на основе формулирования фундаментальных посылок и принципов целой системы более конкретных утверждений, раскрывающих структуру и содержание проектных операций синтеза, оптимизации и выбора решения. При таком построении теории исходные посылки и принципы должны отражать не простые истины, доказательство которых не требуется, а фундаментальные технологические закономерности процессов обработки и принципы их системной организации. Они получены на основе обобщения опытных данных, систематизации результатов теоретических и практических работ и системных исследований. Так; на основе сформулированного принципа технологической совместимости получены утверждения и соответствующие им алгоритмы выбора допустимых вариантов методов обработки., технологической базы. типоразмера станков, приспособлений и инструмента. На основе исходных посылок дедуктивно развертывается целая система более конкретных утверждений и следствий, являющейся базой представления алгоритмов и программ технологического проектирования. Построенная таким образом система утверждений имеет иерархическое строение, верхний нулевой уровень системы образует множество исходных посылок ИП={ИП1, ИП2, ... ИПN}. На их основе формируется и доказывается ряд промежуточных утверждений первого уровня УТ1={УТ1, УТ2, ... , УТN}. В дальнейшем при использовании исходных посылок и утверждений первою уровня строятся более конкретные утверждения второго уровня. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будут получены утверждения, определяющие функцию, структуру, параметры элементов проектируемого объекта. В формальном виде дедуктивная система построения целостной модели процесса проектирования описывается следующей совокупностью соотношений: ИП0={ИП1, ИП2, ... ИПn} Г1: ИП0 R { УТ 1 } Г2: ИП0, { УТ 1} R { УТ 2 } . . . Гn: ИП0, ({ УТ 1, УТ 2, ... . УТ n}) R { УТ n+1 } Г i - процедуры формулирования и доказательства более конкретных утверждений следующего уровня на основе исходных посыпок и полученных ранее утверждений более общего уровня. Переход от совокупности исходных посылок и утверждений и от одних утверждений к другим осуществляется как формально, так и путем содержательного синтеза знаний в системных исследованиях. Утверждения последнего уровня и представляют собой математические модели построения допустимых технологических ограничений и служат основой для построения алгоритмов и программ технологического проектирования. E: УТ R {АЛ i} Tp: {АЛ i} R { Пр } Е - совокупность процедур построения алгоритмов на основе утверждений, Тр - совокупность процедур трансляции алгоритмов в программы. В результате модель теории технологического проектирования может быть представлена в виде графа, вершинам верхнего уровня соответствуют посылки, а вершинам следующих уровней - утверждения и следствия, полученные на основе исходных посылок и утверждений предыдущего уровня. На последнем уровне на основе утверждений может быть построено несколько реализующих его алгоритмов и программ, т.е. обеспечивается функциональная избыточность программного комплекса САПР ТП. Полученная таким образом система исходных посылок и утверждений должна отражать основные закономерности процессов и зависит от условий конкретного предприятия, т.е. является инвариантной основой САПР ТП, в то время как алгоритмы и программные уровни подвергаются настройке при переходе от одного предприятия к другому и составляют адаптивную часть САПР ТП. При хорошо разработанной теории проектирования утверждения последнего уровня определяют не только единственный вариант оптимального решения задачи, но и наиболее рациональный путь к нему. В тех случаях, когда теория некоторых технологических задач недостаточно разработана, утверждения последнего уровня определяют множество допустимых вариантов, выбор оптимального варианта может быть осуществлен с помощью методов оптимизации, если задача формализуется, или путем построения диалоговых процедур, если задача не поддается формализации. Таким образом, построенная теория технологического проектирования определяет роль и место математических методов оптимизации и диалоговых процедур выбора решения. Характерной особенностью модели является ее целостность, обусловленная связью исходных посылок и утверждений.. Практическая проверка теории проводится по результатам автоматизированного проектирования, которые выдают построенный на основе этой теории программный комплекс САПР ТП. ПРИНЦИПЫ СОВМЕСТИМОСТИ Совокупность субъектов может быть объединена в систему, если они обладают свойством совместимости по наиболее существенным видам связей и отношений. Т.е. такой общностью по выполняемым функциям, структурным и функциональным свойствам, из-за которых обеспечивается их совместимость функционирования как единого целого в соответствии с заданными технологическими требованиями. Так фреза и шпиндель станка совместимы, если форма и размеры хвостовика фрезы соответствуют форме и размерам инструментального корпуса шпинделя. Операции технологического процесса совместимы; если состояние обрабатываемой детали на выходе первой операции будет исходным для другой. Это значит, что некоторые поверхность обрабатываемые предшествующей операцией могут быть приняты в качестве базовых на следующих операциях, а формы и размеры обрабатываемых поверхностей одних операций таковы, что обеспечивают необходимые припуски и допуски для обработки деталей на следующих операциях. В реальных Т-сисгемах и процессах входы и выходы одних субъектов могут отличаться конструктивным исполнением, расположением в производстве. величинами размеров и др. Все это приводит к невозможности обеспечения непосредственной совместимости подсистем или их элементов. Сформулируем утверждения, определяющие условия объединения элементов в систему при отсутствии их непосредственной совместимости. Утверждение 1.1. Объединение в систему элементов, несовместимых по одному или более видам связей достигается путем введения в систему звеньев-посредников, выполняющих функции совместимости по нескольким видам связей между взаимодействующими элементами. Звенья- посредники встречаются везде (инструментальная правка - звено-посредник между фрезой и шпинделем станка, в связи с тем, что размеры фрезы не совпадают с аналогичными размерами шпинделя, программы-трансляторы - звенья-посредники между человеком и машиной). Совместимость взаимодействия Т-систем может осуществляться различными способами, каждый из которых характеризуется различными величинами затрат на реализацию. Утверждение 1.2. Оптимальным среди множества возможных будет такой способ совместимости систем с окружающей средой иди структурных элементов между собой, который обеспечит заданные технологические требования на взаимосвязь объектов при минимальных суммарных затратах на совместимость при всех видах связей. С точки зрения этого утверждения оптимальным по затратам на технологическую совместимость будет такой вариант технологического процесса, который при обеспечении заданной производительности и точности определяет минимальные затраты на специальные приспособления, вспомогательные инструменты, операционные подготовки, установку базовых и других элементов, выполняющих функции совместимости. Введем понятие системной оптимальности, которая в зависимости от традиционного представления связывает системные характеристики объекта с затратами. 1 системная оптимальность - минимальные затраты на совместимость системы с окружающей средой и компонентами в составе системы, 2-я сторона системной оптимальности - минимальные затраты на реализацию заданной функции системы к совокупности заданных параметров, 3-я сторона системной оптимальности -- минимальные затраты, связанные с совершенствованием и модификацией Т-систем за период эксплуатации. Утверждение 1.3. Оптимальным среди множества допустимых технических организационных вариантов проектирования объектов или технологических процессов будет такой, который обеспечивает минимальные суммарные затраты на совместимость системы с окружающей средой, выполнение заданной функции и затраты за усовершенствование и модернизацию за период эксплуатации. В отличие от традиционных технико-экономических критериев, носящих калькулятивный характер и вычисляющихся после проектирования объекта, разработки и пронормирования технологии его изготовления, системные характеристики и критерий оптимальности в явном виде дифференциально учитывает затраты на реализацию системных характеристик объекта. Системные критерии лучше обеспечивают требования построения рациональных информационных моделей объектов и технологических процессов, на стадии проектирования. Принцип совместимости и вытекающие из него утверждения являются фундаментальными и определяют многие важные закономерности технологического процесса и процессов проектирования Т-систем. МНОГОУРОВНЕВАЯ ДЕКОМПОЗИЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Существует много форм я размеров деталей, средств и методов их изготовления, различный состав оборудования и оснастки приводят к тому, что проектирование технологических процессов представляет собой сложную, многовариантную, трудноформализуемую задачу), исходными данными для которой служат задание функции технологического процесса и программы выпуска. В описании функции известной является информационная модель исходной детали, определяющей её системную характеристику на всех уровнях условного расчленения. Технологическими ограничениями, определяющими допустимые варианты ТП выступают применяемые на заводе программные методы обработки поверхностей ml О (m1, m2, ... , mn) а также состав оборудования и его технологические характеристики СТ О (СТ1, СТ2, ... ,СТk) приспособления ПР О (ПР1, ПР2, ... ,ПРp) инструменты ИН О (ИН1, ИН2, ... ,ИНS) материалы МТ О (МТ1, МТ2, ... ,МТR) Кроме того, при проектировании используют большое число справочно-нормативных данных для выбора и расчета операционных припусков и допусков, режимов резания и норм времени, а также технико-экономических показателей. Соотношения означают, что при использовании проектирования методы, оборудование, инструменты, приспособления и материалы должны быть выбраны из множества, применяемых на заводе. Эта данные - составная часть технологической модели предприятия, в условиях которого будет реализован проектируемый технологический процесс. В связи с этим разрабатываются методы автоматизации технологического проектирования, ориентированные на действующие предприятия. Задача проектирования (состоит в том, чтобы при заданных технических ограничениях определить системные характеристики технологического процесса и его элементов, обеспечивающих получение заданных чертежей, точностных параметров и физико-механических свойств детали с наименьшей технологической себестоимостью. EMT - СТОимость материала, необходимого для изготовления детали; Е1 - себестоимость отдельных операций; n - число переходов. Это значит, что необходимо найти функциональную структуру ТП в целом, а также функциональную, временную и пространственную структуру и характеристики каждой операции, а также управляющую программу для операций на станках с ЧПУ. В общей установке проектирование технологического процесса относится к числу сложных индетерминированных задач, Их характерные особенности: 1. Недостаточность имеющихся к началу проектирования исходных данных и технологических ограничений для получения технических решений требуемой степени детализации (операционная технология или управляющая программа для станков с ЧПУ), 2. Слабая изученность закономерностей процессов ТП, т.к. еще не выявлены технологические и логические зависимости., связывающие системные характеристики обрабатываемых деталей, оборудования и оснастки со структурой и параметрами ТП. 3. Необходимо учесть изменения производственной обстановки на предприятии. К ним относятся: корректировка номенклатуры выпускаемых деталей, замена устаревшего оборудования новым, непрерывное пополнение технологической оснастки инструмента, внедрение прогрессивных технологий, обновление применяемых основных материалов и нормативов и т.д. Эти изменения окружающей среды невозможно точно предвидеть и учесть в алгоритмах на стадии создания. Одни из наиболее общих способов в задачах технологического проектирования являете многоуровневый итерационный метод. Сущность метода раскрывается совокупностью принципов и утверждений, определяющих характер и структуру процессов проектирования. Проектирование дискретных технологических процессов и сложных объектов расчленяется на несколько взаимосвязанных усло- вий, характеризующейся последовательно возрастающей от уровня к уровню степенью детализации проектных решений. Этот принцип отражает метод решения сложных конструкторско- технологических задач, когда в связи с недостаточно априорной информацией решение первого уровня носит наиболее абстрактный характер и на следующих уровнях разворачивается до тре- буемого уровня детализации. Виды и количество уровней зависят от сложности проектируемых объектов или процессов. Утверждение 2.1. Проектирование технологического процесса расчленяется на 4 уровня; принципиальная схема процесса. технологический маршрут, создание операционной технологии и разработка управляющих программ для станков с ЧПУ и роботов. Принципиальная схема процесса определяет состав и последовательность технологических этапов, тип заготовки и состояние детали после выполнения каждого этапа: ПС=С0 ЭТ С1 ЭТ ... Сp, где С0 - исходное состояние; Сp - конечное. Маршрут обработки детали характеризует состав и последовательность операций в каждом этапе и состояние детали после выполнения каждой операции; а также основные характеристики системы обработки, т.е. тип станка, схема установки н состав переходов: Ag={Ст, Пр, {A i}} Операционные технологии включают в себя определенные структуры и характеристики операций, дальнейшую детализацию элементов системы обработки, а управляющей программе - характеризуется заданием траектории движения инструмента и детали и совокупностью команд управления механизмами станка при выполнении каждого перехода. Для 1-го уровня свойственна наибольшая степень абстракции и определение только принципиальных особенностей структуры и функций ТП. От уровня к уровню степень детализации проектных решений возрастает. На последнем уровне она доводится до траектории движения деталей и команд управления механизмами станка. Рассмотрим утверждение, базирующееся на принципе декомпозиции системы на компоненты по наиболее слабым связям. В принятой схеме декомпозиции связь между задачами внутри уровня более сильная, чем связь между 2-мя соседними уровнями. Утверждение 2.2. Многоуровневый процесс проектирования разрабатывается сверху вниз - т.е. от синтеза общих принципов модели на 1-м уровне к проектным решениям требуемой степени детализации на следующих уровнях. При этом решение, полученное на предыдущем к-1 уровне используют как дополнительное исходное данное на проектировании на к-том уровне. Dk={ИД, Rik-1} R {Rijk} Так сведения о принципиальной схеме технологического процесса, полученные на 1-м уровне служат для синтеза маршрута обработки детали на 2-м уровне. Разработка операционной технологии на 3-м уровне производится на основе сведений о технологическом маршруте, а для синтеза управляющих программ используются сведения об операционной технологии. Развернув по уровням проектирования, получим: П={ИД R ПС R ТМ R ОТ R УП}, где ИД - исходное данное; ПС - принципиальная схема; ТМ - технологический маршрут; ОТ - операционная технология; УП - управляющая программа. В результате многоуровневой декомпозиции и связанной с ней возможностью использования промежуточных результатов проектирования в качестве исходных данных на следующем уровне системные характеристики в процессе проектирования на каждом уровне описываются более простыми моделями и алгоритмами. Общая системная модель многоуровневого процесса проектирования включает 2 группы соотношений: 1-я описывает системные характеристики процесса проектирования вцелом и функции структуры, накопленный опыт и свойства проектируемого процесса на всех 4-х уровнях проектирования. Соотношение 2-й группы определяет взаимосвязь системных характеристик различных уровней - общая функция процесса технологического проектирования описывается как упорядоченная последовательность преобразования исходных данных и промежуточных результатов, полученных на отдельных уровнях. Структурный процесс проектирования представляет собой объединение графов структур, описывающих прямые и обратные связи проектируемых процессов разных уровней. Информационные массивы) отражающие накопленный опыт проектирования представляют собой множественные объединения массивов различных уровней: Т.о. в результате многоуровневой декомпозиции задача проектирования сводится к определению наиболее рациональных системных характеристик ТП. На начальном, промежуточном уровнях проектирования, обеспечиваются требуемые по чертежу точности. МОДЕЛИ МНОГОУРОВНЕВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Возможны несколько моделей многоуровневого проектирования. Основу 1-й составляет последовательное от уровня к уровню многовариантное построение допустимых вариантов технологического процесса и отбор наиболее рациональных из них из последнем уровне. Процесс проектирования на последнем уровне представляет собой многовариантную процедуру. На основе 1-го проектного варианта формируются более детальные варианты следующего уровня. В результате проектирование на всех уровнях образует дерево допустимых вариантов технологического процесса, отвечающего заданным техническим ограничениям. Вершины - операции синтеза проектных решений, дуги - полученные вариант этих решений. Дуги деревьев последнего уровня характеризуют проектные варианты заданной степени детализации. Модель процесса проектирования можно представить в виде совокупности операций синтеза проектных решений на различных уровнях и операции отбора наиболее рационального варианта по заданному критерию на последнем уровне: j=(ИД n1 {Ri1} n2 {Rij2} n3 {Rijk3})Rg Рассмотренная модель характеризуется низкой эффективностью. Чтобы выбрать 1 рациональный вариант необходимо до конца спроектировать большое число допустимых технически ограниченных вариантов. 2-я модель дополняет 1-ую и базируется на применении промежуточного отбора на каждом уровне проектирования. Сформируем утверждение о характере применения промежуточного отбора. Утверждение 1. На всех уровнях, хроме последнего, ввиду недостаточной достоверности промежуточных решений критерии отбора вариантов носят обобщенный характер. Они последовательно уточняются при переходе от уровня к уровню, достигают необходимой точности на последнем уровне - уровне проектирования. Е1i < Е2j < Е3l < Е4r На первом уровне невозможно сформировать критерий, позволяющий выбрать 1 оптимальный вариант принципиальной схемы ТП. Это связано с тем, что представление о проектируемом процессе носит принципиальный характер и на следующих уровнях уточняется. Критерий отборов вариантов маршрутов обработки точнее, чем предыдущий, т.к. детализация проектных решений выше. Еще точнее будут критерии на уровне операционных технологий и синтеза управляющих программ для станков с ЧПУ. Критериями на этих уровнях часто применяют технологическую себестоимость и время обработки. Эвристические критерии получены на основе опыта решения аналогичных задач и направлены на достижение требуемых результатов. Они комплексно учитывают такие факторы: точность обработки, конструкцию установочных приспособлений, производительность и экономичность. Многие из них на 1-ых уровнях проектирования не поддаются математическому описанию. Утверждение 2. На начальном и промежуточных уровнях проектирования в связи с эвристическим характером критериев из множества синтезируемых вариантов выбирают не 1, а несколько наиболее рациональных. Окончательный вариант ТП, соответствующий экстремальным значениям точного критерия, определяется только на последнем уровне. Эвристические критерии на промежуточных уровнях подобраны так, что малоэффективные варианты, исключенные из рассматриваемых, не дают эффективных вариантов на заключительных уровнях проектирования. Вероятность потери немного лучшего решения тем меньше, чем больше значение критерия качества исключенного варианта превышает установленный для отбора. На промежуточных уровнях проектирования каждый исходный вариант процесса делился на более подробные, часть которых отсеивается блоками оценки. Многоуровневый синтез в сочетании с многоступенчатым отбором и фильтрацией позволяет резко сократить число анализируемых вариантов ТП и повысить эффективность решения задач. Е1-Е4- критерии отбора. На рассматриваемом уровне наряду с детализацией проектных решений производится корректировка решений, принятых на предыдущих уровнях. Вследствие между уровнями проектирования возникли обратные связи. Например, выбранный на 2-м уровне тип станка в ряде случаев может уточняться на 3-м уровне. 3-я модель - дальнейшее развитие предшествующих и основана на накоплении и обобщении опыта проектирования и совершенствовании на этой основе структур и параметров алгоритма синтеза и критериев промежуточного самоотбора. Эффективность 2-й модели технологического проектирования повышается, если на каждом уровне ввести контур самообучения, включающий в себя оперативное накопление и обобщение опыта проектирования. С помощью него операция накопления отбирает и заносит в оперативную память систему только оригинальных технологических решений и процессы, которые до этого времени отсутствовали в базе данных. Производит учет частоты использования типовых, групповых алгоритмов и процессов аналогов. З-я модель: Операция обобщения накопленного опыта формирует типовые проектные решения и типовые групповые алгоритмы. Улучшаются значения эвристических критериев, совершенствуются структуры и параметры алгоритма синтеза, оптимизации и анализа, обобщение накопленного опыта происходит в режиме человеко-машинного проектирования с оперативным отображением процессов-аналогов на экраны устройств. В результате обучения и самообучения алгоритмы синтеза проектных решений и эвристический критерий промышленного самоотбора становятся эффективнее. Вместо генерирования большего числа возможных вариантов, целенаправленно, с учетом положений прошлого опыта синтезируется небольшое количество наиболее перспективных проектных вариантов за счет улучшения значения. Эвристический критерий в процессе самообучения на каждой промышленной стадии отбирает для дальнейшего проектирования меньшее число наиболее рациональных вариантов. Т.о. контур самообучения, работающий на основе используемого опыта проектирования позволяет повысить качество проектных решений и резко сократить затраты машинного времени. В результате целенаправленного синтеза и промежуточного отбора на каждом уровне генерируются не все возможные варианты, а только перспективные. Они могут иметь недостатки, которые выявляются с помощью операций анализа и оценки, а затем устраняются алгоритмами оптимизации. .Аналогичное положение наблюдается при автоматизации проектирования путем преобразования технологических процессов-аналогов. Необходимо организовать итерационную модель процесса проектирования, которая последовательно улучшает исходный вариант до требуемой степени совершенства. Утверждение 3. Проектирования на каждом уровне расчленяется на совокупность проектных операций, итерационно взаимосвязанных между собой и осуществляющих формирование множества проектных вариантов, их анализ, оптимизацию и отбор. ОБЩАЯ СХЕМА ИТЕРАЦИОННОГО АЛГОРИТМА Основные структурные элементы - такие проектные операции - поиск решений аналогов, синтез различных вариантов технологий, имитационное моделирование процессов обработки, анализ и оценка результатов моделирования, а также оптимизация и отбор наиболее рациональных вариантов. Начало - поиск в банке данных решения. Если таковые найдены, то логическим блоком 2 управление передается блоку проектирования по аналогии, а если нет, то блоку синтеза. В блоке синтеза решений целенаправленным способом синтезируется некоторое количество вариантов ТП, удовлетворяющих заданным технологическим требованиям и ограничениям. Для оценки того или иного варианта необходимо построить информационную модель процесса обработки. Блок информационного моделирования позволяет опробовать любой вариант ТП н тем самым прогнозировать характер обработки деталей и возникающую при этом погрешность. В блоке анализа, полученные при моделировании характеристики исследуются на соответствие их заданным условиям, выявляются причины возникновения тех или иных причин отклонений. В результате вычисляются значения локальных критериев и их взаимосвязь. В блоке оценки на основе выявленных локальных критериев определяется интегральный критерий качества того или иного варианта, оценивается степень совершенства рассмотренного варианта по сравнению с другими, Определяется необходимость улучшения тех или иных показателей. В блоке оптимизации производится выбор улучшенного проектного варианта в соответствии с моделью, характеризующей взаимосвязь критериев. В результате проведения преобразования исходного варианта возникает новый улучшенный вариант. Сведения о нем поступают в блок моделирования, анализа и оценки. Цикл проектирования улучшает качество исходного варианта. Процесс последнего улучшения оканчивается, когда вариант по всем основным показателям удовлетворяет сданным требованиям и дальнейшее его совершенствование не приведет к существенным улучшениям интегрального критерия С помощью блока 8 осуществляется циклический повтор операции моделирования, анализа, оценки и оптимизации всех вариантов, полученных в блоках поиска или синтеза. В результате операция выбор подготавливает множество целесообразных вариантов, из которых затем выбираются наиболее рациональные. На промежуточных уровнях для дальнейшего проектирования выбираются несколько наиболее рациональных вариантов. На последнем - один окончательный вариант. В данной модели можно выделять 2 ветви процедур проектирования - 1- я: блоки 1-3, 5 -9 и служат для проектирования на основе преобразования процессов-аналогов, в т.ч. типовых и групповых. Во 2-ю ветвь входят блоки 4-9. Они определяют набор проектных операций, используемых при проектировании технологий методом целенаправленного синтезе. Обе ветви имеют общие блоки, связанные с операциями моделирования; анализа, оценки и выбора рациональных вариантов. Различаются эти ветви операцией генерирования исходных вариантов поиска решений и их преобразования, а во втором - целенаправленный синтез решений. Остальные операции, связанные с оптимизацией исходного варианта имеют одинаковое значение. ПРОЕКТНЫЕ ОПЕРАЦИИ ПОСТРОЕНИЯ ДОПУСТИМЫХ ВАРИАНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ 1. Поиск решений-аналогов В различных отраслях: промышленности накоплен большой опыт проектирования технологических процессов для обработки самых разнообразных деталей. В руководящих материалов этот опыт систематизируется и становится достоянием технологов, однако большая часть сведений о разработке, связанных с технологией изготовления сложных нетиповых деталей, при повторном проектировании используется недостаточно. Основная причина этого - несовершенная система накопления, хранения и поиска технологической информации. Это приводит к тому, что разыскать в архиве спроектированный ранее технологический процесс на подобную деталь значительно труднее, чем разработать его заново. Для того, чтобы в АСУ ТП сведения о прошлых разработках оперативно использовались инженерами-технологамн и программами проектирования необходимо в первую очередь автоматизировать процесс накопления, хранения и поиска технологической информации и создать технологический банк данных. С помощью операции "ПОИСК" по заданной совокупности признаков в информационном массиве системы отыскиваются соответствующие им детали аналогов и техпроцессы их изготовления. В основе этой операции лежит принцип технологического подобия обрабатываемых деталей технологических процессов и их элементов. 0н заключается в следующем: сложные объекты и процессы считаются технологически подобными, если их различие в функции, структуре и свойствах не превышает некоторых заданных величин, т.е, FB1 - FB2 ? DFB S1(U, B) - S2(U, B) ? D S(U, B) ZB1 - ZB2 ? DZB При этих условиях искомый технологический процесс или его элементы могут быть получены путем преобразования структуры и характеристик процессов-аналогов. Диапазон изменения DF, D S, DZ устанавливается заранее технологом или алгоритмически в зависимости от целей проектирования. Рассмотрим технологическое подобие обрабатываемых деталей. Детали Д1 и Д2 или их межоперационное состояние будем считать технологически подобным, если различие в графах, описывающих форму, размерные в точностные данные и параметры таковы, что не оказывают существенного влияния на структуру и параметры технологического процесса их изготовления. т.е. S1(П, И) - S2(П, И) ? DS(П, И) P1 - P2 ? DP MT1 - MT2 ? DMT ФМ1 - ФМ2 ? DФМ N1 - N2 ? DN В ряде случаев для того, чтобы установить технологическое подобие деталей следует сравнить выполняемые ими функции, т.к. они оказывают влияние на выбор методов обработки и структуры технологического процесса. Для выявления технологического подобия функций двух структурных элементов технологического процесса необходимо выполнение следующих условий: 1) виды преобразования, типы операций или переходов должны быть одинаковы; 2) характеристики, описывающие состояние деталей на предшествующей и выполняемой операциях, должны отличатся не более некоторой наперед заданной величины. Технологическое подобие структур двух элементов обеспечивается, если графы функциональных, временных и пространственных структур этих элементов отличаются на некоторую заданную величину. Элементы двух схем "СТАНОК-ПРИСПОСОБЛЕНИЕ-ИНСТРУМЕНТ" технологически подобны, если различие в выполняемых функциях и значениях параметров технологических характеристик не превышает установленных величин. Таким образом, при поиске деталей-прототипов, процессов-аналогов, элементов оборудования и оснастки наряду с описанием их системных характеристик. необходимо указывать допустимые отклонения в функции, структуре и свойствах. В зависимости от заданных деталей поиск объектов и процессов-прототипов может осуществляться на основе технологического подобия одной или нескольких системных характери- стики 1) набора признаков Z: В1 подобна В2, если Z1 - Z2 ? DZ; 2) выполняемых функций: F1 - F2 i DF; 3) структуры объектов и процессов: S1(U, X) - S2(U, X) ? DS(U, X); 4) выполняемых функций F и набора признаков Z; 5) структуры S и набора признаков Z; 6) выполняемых функций F и структуры S; 7) функций F, признаков Z и структуры S. Указанные наборы системных характеристик и допустимых отклонений образуют поисковые образы субъектов и технологических процессов, В связи с этим применяемые методы поиска только по набору признаков явно недостаточны для нахождения в массиве сложных объектов и процессов- аналогов. Поиск представляет собой преобразование исходного массива с целью выявления объектов, технологически подобных по заданным системным характеристикам (поисковому образу). В общем случае операция "ПОИСК"* включает в себя следующие процедуры: 1) формирование поискового образа Н: 2) определение различий между функциями, структурой и характеристиками выделенного объекта и поискового образа; З) оценка и принятие решения о технологическом подобии объекта поисковому образу, Операция "ПОИСК" - иерархическая, она построена так, что в процессе поиска исходный массив резко сужается. В начале осуществляется поиск по главным признакам (по общности выполняемых функций), в результате из массива выделяется подмассив объектов, функции которых подобны Н. В порченном массиве определяется совокупность объектов с технологически подобной структурой, а в ней - объекты, подобные по набору характеристик. Операция "ПОИСК" имеет самостоятельное значение, в результате ее выполнения может быть найдено решение, удовлетворяющее запросу, либо она используется как процедура, входящая в состав других проектных операций, например в "СИНТЕЗ ПРОЕКТНЫХ ОПЕРАЦИЙ" 2. Преобразование процессов-аналогов После того, как найдены детали и процессы-аналоги, проектирование заключается в том, чтобы на основе системных моделей и заданного конечного состояния конкретной детали определить рациональную структуру и параметры ее обработки, Преобразование осуществляются методами исключения или дополнения структурных элементов в найденных процессах-аналогах на основе выявленных различий между обрабатываемой деталью и состоянием детали-аналога. Метод исключения структурных элементов основан на том, что из графа структуры процесса- аналога исключаются некоторые пути или дуги, соответствующие операциям или переходам обработки отсутствующих у конкретной детали поверхностей или поверхностей более высокой точности. Структура конкретной поверхности образуется в результате операции разности графов: В результате применения этой операции структура конкретного процесса получается более простой, чем аналога. Метод дополнения структурных элементов базируется на присоединении к графу структур процесса-аналога множества дуг, соответствующим вновь вводимым операциям и переходам по обработке поверхностей конкретной детали, которые отсутствовали в детали-аналоге, или имеют более низкую точность. Структура конкретного процесса получается более сложной и образуется в результате операции объединения графов: В ряде случаев возникают задачи проектирования, когда преобразование процесса-аналога производится тем и другим методом одновременно, т.е. преобразование процесса-аналога методом исключения структурных элементов осуществляется установлением технологического подобия состояний детали-аналога, со структурой и параметрами конкретной детали. Для этого в графах функциональной структуры технологического процесса-аналога выделяются висячие вершины, соответствующим конечным состояниям групп обрабатываемых поверхностей. Операция включается в маршрут обработки конкретной детали, если функциональная структура подобна, и исключается из маршрута в противном случае. Технологическое подобие состояний детали-аналога и обрабатываемой детали устанавливается на основе сравнения множества видов обрабатываемых поверхностей и точности их размеров. Если точностные параметры обрабатываемой деталей превышают установленный порог, то рассматриваемая операция исключается, т.к. требуемая точность обработки может быть получена на предшествующей операции. Пороговые значения устанавливают интервалы классов точности, шероховатости по двум соседним операциям технологического процесса. Преобразование процесса-аналога методом дополнения структурных элементов заключается в определении вида и количества этих элементов и рациональным их расположением среди операций процесса-аналога,. при этом могут быть следующие варианты структурных дополнений: если технологические возможности оборудования и оснастки процесса-аналога обеспечивают обработку дополнительных поверхностей, то они включаются в их состав, при невыполнении этого условия обработка дополнительных поверхностей выделяется в самостоятельную операцию. Если точностные параметры обрабатываемых поверхностей конкретной детали выше, чем у идентичных поверхностей детали-аналога, то возможно два варианта: если технологические возможности операции процесса-аналога позволяют провести обработку более точных поверхностей конкретной детали, то их обработка включается в одну из операций процесса-аналога, в противном случае в проектируемый технологический процесс вводятся операции обработки дополнительных поверхностей. Решение указанных задач для деталей сложной формы трудно формализовать, поэтому должен производиться в диалоговом режиме. 3. Синтез технологического процесса На различных уровнях проектирования исходными данными в задачах синтеза служат описание функций технологического процесса или его элементов. Задача заключается в том, что на основе этих данных определить допустимые технологическими ограничениями варианты структуры процесса обработки, параметры предшествующего состояния и функции,. составляющие процесс обработки структурных элементов. Операция "СИНТЕЗ" базируется на декомпозиции заданных сложных функций на отдельные подфункции, а эти подфункции - на еще более простые подфункции и так до тех пор, пока не будут получены функции базовых структурных элементов требуемого уровня декомпозиции. В результате декомпозиции строится граф функции проектируемого структурного компонента процесса, вершинами которого соответствуют функции отдельных элементов, а дугам - отношения включения одних функций в другие. Вторым звеном синтеза является выбор структурных элементов процесса, посредством которых заданная функция может быть реализована. Нам известно, что одна и та же функция может быть осуществлена с помощью различных структурных элементов. Поставив в соответствие каждой функции один или несколько элементов процесса, обеспечивающего ее реализацию, получим различные варианты структурного состава обработки. Третьим звеном синтеза служит процедура формирования пространственно-временных связей между отдельными структурными элементами и получения графа возможного варианта технологического процесса. Она характеризуется преобразованием массива элемента процесса в графы возможных вариантов функциональных, пространственных и временных структур технологического процессы на k-ом уровне. Декомпозиция общих функций процесса может осуществляться различными способами, при этом получается различный состав структурных элементов и связей между ними, т.е. различные варианты структуры процесса. Для того, чтобы синтез сделать целенаправленным и эффективным, декомпозицию общей функции, выбор структурных элементов и установление связей между ними необходимо производить, руководствуясь принципом минимальных затрат на технологическую совместимость. Реализация его требует максимального соответствия между компонентами процесса. Следуя этому принципу варианты маршрутов синтезируют так, чтобы обеспечить совместимость выбранного метода обра- ботки и характеристик деталей с технологическими возможностями имеющегося оборудования, а также совместимость конструкторских баз с технологическими при выборе схем базирования и последовательности операций. На основе последовательности вариантов структуры технологического процесса производится расчет параметров предшествующего состояния обрабатываемой делали. Степень детализации и точность параметров состояния на различных уровнях проектирования различны. На первом уровне определяются виды заготовок и точность обработки деталей на разных этапах технологического процесса. На следующих уровнях проектирования точность параметров состояния возрастает, достигая наивысшего значения при проектировании операционной технологии и управляющих программ дня станков с ЧПУ. Таким образом, операция синтеза на каждом уровне проектирования состоит из процедур выбора метода декомпозиции функции технологического процесса или отдельных его частей на более простые подфункции, декомпозиции общей функции на отдельные подфункции в соответствие с выбранным методом, выбора структурных элементов процесса, обеспечивающих реализацию каждой из этих подфункций, формирования пространственно-временных связей между отдельными элементами и получения графа возможных вариантов технологическою процесса и расчета параметров состояния обрабатываемой детали. ПРОЕКТНЫЕ ОПЕРАЦИИ АНАЛИЗА И УЛУЧШЕНИЯ ДОПУСТИМЫХ ВАРИАНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 1. Операция имитационного моделирования Операция моделирования включает в себя процедуры построения имитационных моделей процесса обработки, описывающих явления, которые необходимо учитывать ври проектировании на различных уровнях: определение законов изменения входных воздействий, характеристик системы и технических ограничений, прогнозирование достижимой точности обработки, надежность ее осуществления, производительности и эффективности технологического процесса. Прогнозирование осуществляется имитацией на математических моделях процесса обработки при вариации параметров окружающей среды и характеристик системы. Точность прогноза зависят от ТОго, насколько модель процесса и выявленные закономерности изменил характеристик окружающей среды и системы адекватны реальным явлениям, происходящим в процессе производства. На уровне проектирования принципиальных схем ввиду незначительной детализации разрабатываемого технологического процесса возможности математического моделирования ограничены, оно сводится к эвристическому прогнозу того, как влияют выбранные этапы и методы обработки на возможность эффективного достижения требуемой точности размеров поверхностей и их взаимного расположения. Для детали сложной конфигурации в связи с недостаточностью сведений о технологическом процессе операция моделирования на первом уровне не поддается формализации и должна выполняться технологом. На уровне проектирования маршрутов обработки математической моделью служит граф функциональной структуры технологического процесса, он характеризует взаимосвязь выбранных базовых и обрабатываемых поверхностей. Моделирование включает в себя расчет погрешностей базирования и их влияния на размеры, выдерживаемые в операциях, вычисляются ориентировочное время и себестоимость обработки детали. Математической моделью операции на третьем уровне проектирования служат графы пространственной и временной структуры и модель процесса резания. По графу пространственной структуры определяются погрешности размеров в технологической размерной цепи, а по графу временной структуры - время и себестоимость выполнения операции. Модель резания представляет собой систему, связывающую режимы обработки с параметрами станков, приспособлений и инструмента. С помощью этой модели находятся режимы резания и динамические погрешности, возникающие в процессе обработки. При необхлдимости разработки управляющих программ для станков с ЧПУ модель процесса резания переносится в четвертый уровень проектирования. В рассмотренных операционных моделях некоторые величины из-за отсутствия точных значений могут задаваться их вероятностями. В целом, точность операционной модели значительно выше, чем модели маршрутной технологии. Таким образом, при. переходе от одного уровня проектирования к другому степень детализации и точность модели процесса возрастают от эвристических на первом уровне до достаточно точных математических моделей, отражающих статические и динамические характеристики процесса на заключительном уровне проектирования. Структуру модели процесса и его элементов при решении сложных: задач, связанных с расчетом погрешностей при различных схемах базирования, компоновку инструментальной наладки и расчет траектории обработки сложных участков детали на станках с ЧПУ целесообразно выводить на экраны устройств отображения или вычерчивать с помощью чертежных автоматов. Графическое моделирование таких задач дает возможность выявить недостатки в структуре проектируемого варианта процесса и устранить их. 2. Анализ проектных вариантов. Полученные при моделировании характеристики технологического процесса исследуются на их соответствие заданным техническим условиям, определяются причины тех или иных: отклонений. В результате анализа обнаруживаются слабые места и невыполнимые условия в рассматриваемом варианте технологического процесса. Анализ проводится по всем основным технико-экономическим показателям процесса: точности обработки, производительности, себестоимости. Выявляются значения этих показателей и характер их взаимосвязи и влияния друг на друга. Точность анализа возрастает при переходе от начальных стадий проектирования к заключительным. На первом уровне проектирования определяется степень соответствия выбранных методов и этапов обработки требуемой точности и производительности. Полученные при моделировании значения этих характеристик: носят сугубо ориентировочный характер, поэтому результаты анализа помогают вскрыть только крупные отклонения и их причины. На уровне проектирования операционной технологии производится анализ выбранной системы СТАНОК-ПРИСПОСОБЛЕНИЕ-ИНСТРУМЕНТ, пространственной и временной структур операции, режимов обработки, времени выполнения операции и ее себестоимости, определяется влияние отдельных составляющих погрешности и принятого прядка выполнения переходов на результирующую точность и производительность обработки. При анализе математической модели расчета режимов резания выявляют технологические ограничения, которые лимитируют режимы резания. В связи с большой степенью детализации точность анализа на этом уровне высока. В операции "АНАЛИЗ" можно выделить три проектных процедуры: 1) сравнение полученных при моделировании значений показателей процесса обработки с допустимыми и определение отклонений; 2) выявление причин отклонений от требуемой точности и производительности; 3) установление характера взаимосвязи отдельных показателей и построение модели, определяющей взаимное влияние показателей друг на друга; Поиск причины возникновения отклонений от требуемой точности и производительности и построение модели взаимного влияния показателей друг на друга называется технологической диагностикой. Правильная постановка технологического диагноза действующего или проектируемого варианта процесса обработки является ОСновой для выработки направлений его дальнейшего совершенствования. Часть задач технологической диагностики может быть формализована и выполнена специальными алгоритмами, в то же время, на различных уровнях проектирования существуют задачи, формализация которых затруднительна. В связи с этим сложные задачи анализа и технологической диагностики должны решаться в режиме человеко-машинного проектирования. 3. Оценка вариантов На всех уровнях проектирования необходимо принимать решения по выбору наиболее рационального варианта технологического процесса иди отдельных его элементов. На начальных уровнях недостаточность детализации проектируемого процесса критерии отбора носят эвристический характер. На первом уровне проектирования оценка вариантов принципиальных схем обработки детали и отбор наиболее рациональных вариантов основан на весьма приближенных эвристических критериях. На втором уровне критерии отбора более точны, они позволяют выбрать рациональные схемы базирования детали и технологический маршрут обработки детали. На третьем уровне применяются еще более точные критерии, которые ближе всего связаны с технологической себестоимостью и обеспечивают выбор вариантов операционной технологии, близких к технологически оптимальным. Критерии четвертого уровня позволяют выбрать оптимальную траекторию движения режущего инструмента и детали при обработке на станках с ЧПУ. На различных уровнях проектирования необходимо принимать такие решения, которые были бы наилучшими по всей совокупности выявленных в блоке анализа значений локальных критериев, связанных с себестоимостью, производительностью и надежностью. Оптимальные значения локальных критериев обычно не совпадают, кроме того, они имеют различные единицы измерения. В связи с этим оценка проектируемого варианта производится по интегральному критерию качества, который объединяет все локальные критерии, при этом компромиссное решение может быть не оптимально ни по одному локальному критерию, но наилучшим по их совокупности. Интегральный критерий следует сформулировать так, чтобы можно было сравнивать показатели с различной размерностью и смыслом. В соответствии с теорией аддитивной полезности локальные критерии в первом приближении считаются независимыми, а обобщенный критерий может быть получен суммированием характеристик отражающих полезность отдельного критерия, умноженных на весовые коэффициенты локальных критериев, с помощью которых задается степень их важности. Функция полезности характеризует оценку в баллах по десятибалльной школе того или иного критерия качества в зависимости от изменения его значений. Весовые характеристики задаются технологом на стадии разработки системы и затем могут корректироваться. Предполагается, что инженер-технолог отчетливо представляет цели проектирования и может однозначно задать значения весовых коэффициентов по всем критериям. На основе анализа опыта проектирования выявляется вид функции полезности для каждою критерия. В задачах технологического проектирования наиболее распространены следующие методы оптимизации: 1) по одному критерию (для остальных весовые коэффициенты равны нулю); 2) по одному критерию при условии, что другие показатели имеют значения не ниже заданных, т.е. учитываются все характеристики;; 3) по обобщенному критерию с учетом всех локальных со своими весовыми коэффициентами. Первый случай применяется при определении оптимальных параметров режимов обработки, когда структура операции уже выбрана. Тогда технологическая себестоимость или производительность являются основными критериями, по которым производится выбор режимов резания. Второй случай часто встречается на более ранних стадиях проектирования, когда среди нескольких критериев можно выдать главный и установить пороговые значения для остальных. В качестве оптимального принимается вариант, имеющий наибольшее значение главного показателя при условии, что остальные будут иметь значения не хуже итоговых. Операция оценки вариантов включает в себя процедуры определения значений локальных критериев и весовых коэффициентов, вида функции полезности для каждого критерия, нахождения относительных критериев в баллах и вычисления интегрального критерия. При проектировании технологических процессов обработки сложных оригинальных деталей формализация оценки вариантов затрудняется, здесь применяется режим диалога обеспечивающий участие технолога в окончательной оценке и выборе оптимального варианта. 4 Корректировка и улучшение проектных вариантов Задача корректировки и улучшения исходного вариант процесса обработки возникает тогда, когда в результате анализа и комплексной оценки установлено, что этот вариант не полностью удовлетворяет поставленным требованиям и необходимо улучшить его структуру и значения отдельных параметров. На основе выявленных причин возникновения этих отклонений определяются решения, с помощью которых можно улучшить характеристики проектируемого технологического процесса или его элементов. Системный подход здесь состоит в том, чтобы для каждого вида недостатков установить возможные причины, их вызывающие. Сложные причины необходимо разбить на более простые, каждой из них поставить в соответствие технологические решения по их устранению, а затем выдать рациональное по корректировке и оптимизации исходного варианта. На различных уровнях проектирования применяются различные методы корректировки и оптимизации исходного варианта. На первом уровне корректировки осуществляется изменения состава этапов, методов обработки и вида заготовки, а также переноса методов чистовой обработки из одного этапа в Другой. На втором уровне корректируются состав операций, их последовательность, установочные базы и характеристики системы СТАНОК-ПРИСПСОБЛЕНИЕ- ИНСТРУМЕНТ. При проектировании операционной технологии на третьем уровне возможна корректировка порядка выполнения установок и переходов, межоперационных размеров и допусков, а также режимов резания, например в блоках анализа и оценки могут быть установлены пути сокращения числа переустановок детали, если частично отсупитъ от принципа совмещения баз. В блоке корректировки определяется новый вариант базирования, производится перерасчет размерных цепей и допусков, изменяется последовательность переходов. В блоках моделирования, анализа и оценки определяется возможность достижения новых допусков принятыми методами и дополнительные затраты на их ужесточение. Затем они сравниваются с экономией от сокращения времени на простановку детали и определяется целесообразность изменения исходного варианта, Для деталей сложной формы процесс корректировки первоначально синтезированного решения трудно формализовать, поэтому применяется режим диалога. Технолог может задавать варианты корректировки, а ЭВМ по программам осуществляет оценку и анализ точности, производительность каждого варианта. Результаты расчета будут выводиться на экран и технолог будет принимать окончательное решение.