7.10 Сапр ххi века

Проектирование технологических процессов (ТП) занимает центральное место в подготовке производства изделий. Технологические процессы содержат информацию о трудовых и материальных нормативах, без которых невозможно планирование и управление производственными ресурсами. В середине XX века наша страна занимала лидирующие позиции в области разработки методологии и методов автоматизации проектирования ТП. В эти годы были созданы концепции проектирования типовых и групповых технологических процессов, сформировано понятие конструкторско-технологических элементов детали (которые в последствии получили на Западе наименование features), разработано множество различных САПР ТП. Однако большинство этих систем, созданных с использованием кустарных информационных технологий, прекратили свое су­ществование, как только их авторы перестали ими зани­маться. В настоящее время это направление компьютеризации инженерной деятельности стоит на пороге революционных изменений, о которых и пойдет речь ниже [22].

Цели автоматизации проектирования технологических процессов и средства их достижения. Подробное описание дерева целей компьютеризации инженерной деятельности было приведено в декабрьском номере журнала за прошлый год. Основная цель создания САПР ТП заключается в экономии труда технологов. Для достижения этой цели необходимо располагать средствами автоматизации оформления технической документации, средствами информационной поддержки проектирования и автоматизации принятия решений. В своем историческом развитии САПР ТП постепенно расширяли арсенал своих средств. На первом этапе эти системы часто представляли собой специализированные текстовые редакторы, некоторые из которых были документоориентированными. С появлением баз данных появилась возможность поддерживать процесс ручного формирования ТП в таких редакторах в части поиска необходимых средств технологического оснащения. Однако подавляющее большинство САПР ТП, в том числе и ныне существующих, не способны поддерживать автоматизацию принятия решений в процессе проектирования на основе технологических знаний: алгоритмический и применяющий методы искусственного интеллекта.

История развития САПР ТП показала бесперспективность алгоритмического подхода. При внедрении одной из первых таких систем, созданных в 60-е годы, было разработано десять технологических процессов. Заказчик принял лишь четыре из них, а остальные отверг. Разра­ботчики пытались доказать представителям заказчика, что их алгоритмы построены правильно, но получили ответ: «Может быть, ваши алгоритмы действительно правиль­ны, но у нас так не делают». Этот давний спор вынес, по сути дела, приговор алгоритмическому подходу в САПР ТП, при использовании которого правила принятия ре­шений, заложенные в системе, недоступны для форми­рования и изменений непрограммирующими пользовате­лями. В наступающем веке информатики знания станут ценнейшим достоянием как физических, так и юриди­ческих лиц. На одном из предприятий авторы [22]ознакомились с САПР ТП по аналогам. Техноло­ги, проработавшие много лет на этом предприятии, по­лучив чертеж детали, быстро находили в памяти компь­ютера описание процесса на аналогичную деталь и ре­дактировали его, формируя новый. На вопрос о том, что будет, если работать с этой САПР придется специалистам, которые не обладают подобным опытом, ответа не последовало.

Немаловажное значение среди целей внедрения САПР имеет повышение качества проектных решений. Необходимо, чтобы накопленный положительный опыт находил отражение в базе знаний системы и был доступен для всех, в том числе и для новых сотрудников. Для достижения этой цели нужно предоставить непрограммирующим носителям технологического опыта возможность сохранять его в системе. Такую возможность и обеспечивают методы искусственного интеллекта.

Проводя аналогию с материальным производством, можно сказать, что в области автоматизации инженерного труда имеется основное производство, связанное с разработкой конструкторских и технологических проектов, а также планов управления, и вспомогательное производство, связанное с созданием и сопровождением собственно программных средств. Соответственно и цели компьютеризации инженерной деятельности следует разбить на две группы: основные и вспомогательные. Некоторые аспекты достижения основных целей автоматизации про­ектирования технологических процессов мы обсудили выше. Но при создании современных открытых систем не ме­нее значимы и вспомогательные цели.

К числу вспомогательных целей автоматизации проектирования относятся: уменьшение трудоемкости раз­работки программных средств, адаптации их к услови­ям эксплуатации при внедрении, а также их сопровож­дения, то есть модификация, обусловленной необходи­мостью устранения выявленных ошибок и (или) изменения функциональных возможностей.

Средством для сокращения трудоемкости разработки программных средств является использование инструментальной среды и ее мобильность. Метаинструментальная среда СПРУТ содержит полный набор инструментальных средств, необходимых для разработки конструк­торских и технологических САПР. Поскольку среда СПРУТ является надстройкой над операционной системой и принадлежит к числу систем интерпретирующего типа, она обладает свойством мобильности. Перевод среды из од­ной операционной системы в другую требует только за­мены ее ядра. При этом все прикладные системы, раз­работанные с ее помощью, переносятся на новую плат­форму без каких-либо доработок.

Средством для сокращения трудоемкости адаптации систем к условиям эксплуатации на конкретном пред­приятии являются системы управления базами данных и знаний, ориентированные на конечного пользователя. Это означает, что упомянутые системы должны быть ос­нащены языками описания и манипулирования данных, доступными непрограммирующему пользователю.

Средством уменьшения трудоемкости сопровождения СПРУТ является модульность, открытость и модернизируемость ее программных средств. Это обеспечивает про­стоту замены и дополнения процедур, данных и знаний.

Методика описания изделий в интеллектуальных САПР ТП.Методика описания деталей и сборочных единиц в существующих конструкторских САПР является основным препятствием на пути создания интегрированных конструкторско-технологических систем. Модели изделий в современных системах являются геометрическими, в то время как для автоматизации проектирования техноло­гических процессов необходимы модели концептуальные. Эта проблема была подробно рассмотрена в первой ста­тье цикла в декабрьском номере журнала за прошлый год. Геометрическая модель позволяет рассчитывать траекто­рии инструментов при обработке деталей на станках с ЧПУ и поэтому способна обеспечить основу для построения систем класса CAD/CAM. Однако на станках с ЧПУ об­рабатываются далеко не все детали; да и для тех деталей, которые подлежат такой обработке, она составляет толь­ко часть маршрутного технологического процесса.

Концептуальная модель детали основывается на поня­тии конструкторско-технологического элемента (КТЭ). Такой элемент является конструкторским в том плане, что он выполняет в детали определенную конструктивную фун­кцию, например: обеспечивает базирование детали в сборочной единице (цилиндрические и конические осевые от­верстия, шпоночные пазы и т.п.) или соединяет деталь со смежными (резьбы, зубчатые венцы и т.п.). Вместе с тем КТЭ имеет один или несколько технологических марш­рутов его изготовления, сформированных из набора переходов.

КТЭ обладают иерархической структурой, состоящей из уровней элементов комплексных, основных и до­полнительных. В число комплексных входят осесимметричные, призматические элементы и отверстия. Такой набор определяется основными видами операций механической обработки деталей: токарной, фрезерной и сверлильно-расточной. Дополнительные элементы (вы­точки, пазы, канавки, фаски и т.п.) располагаются на основных, и к их обработке можно приступить только после предварительного формирования основных элементов.

Каждый КТЭ представляет собой объект со своим на­бором свойств. Имеется возможность наследования свойств от старшего объекта к младшему, например шерохова­тость «остального» от детали к ее элементам.

Системный подход к проектированию технологических процессов.Для системного анализа технологических процессов в машиностроении необходимо установить: номенклатуру эле­ментов; состав элементов каждого типа; набор свойств этих элементов.

Процессы, в том числе и технологические, представля­ют собой класс технических систем, отличительной особенностыо которых является существенная зависимость от времени. Можно предложить следующую иерархическую классификацию элементов технологических процессов: план обработки, этап обработки, операция, переход, ход. План обработки складывается из этапов, этапы из операций, операции из переходов, которые формируются из рабочих и вспомогательных ходов. Перед началом формирования плана необходимо выбрать вид заготовки и ее свойства, из которых для проектирования ТП важнейшими являются квалитет точности размеров, припуски и напуски.

Этап обработки представляет собой последовательность операций, принадлежащих к одному технологическому методу и обеспечивающих одинаковое качество обработки. Пол­ный набор этапов, из которых складывается план обра­ботки, зависит от конкретных условий, однако при этом можно выделить следующую базовую совокупность: термический 1 (улучшение, старение); обработка баз; черновой; получистовой; термический 2 (закалка или улучше­ние); чистовой; термический 3 (азотирование или старе­ние); отделочный; покрытий; доводочный (получение ше­роховатости до Ra=0,02).

Типаж операций и переходов определен в соответствующих классификаторах, а состав основных свойств — в стандартах ЕСТД.

Проектирование ТП на уровнях формирования последовательности этапов, операций и переходов склады­вается из двух фаз: структурного и параметрического син­теза. Структурный синтез должен установить последо­вательность элементов на соответствующем уровне. За­дача параметрического синтеза заключается в формировании свойств элементов, включенных в технологический процесс. Основными операциями параметрического синтеза яв­ляются выбор средств технологического оснащения (стан­ков, приспособлений, инструмента) и нормирование, включающее расчет режимов обработки.

Источник информации и степень инвариантности знаний структурного синтеза определяются иерархическим уровнем решаемой проблемы: проектирование маршрута изготовления детали (набора этапов и операций) или проекти­рование операционной технологии (набора переходов обработки КТЭ). В первом случае знания существенно зависят от организационно-технической структуры предприятия и его традиций. Эти знания индивидуальны для каждого предприятия. Во втором случае знания черпа­ются из справочников, методических пособий и норма­тивных материалов. Знания этого уровня относительно инвариантны и могут с минимальными изменениями использоваться на различных предприятиях.

Основной целью создания интеллектуальных САПР ТП является простота и удобство представления знаний для структурного и параметрического синтеза.

Метод представления знаний структурного синтеза. При проектировании структуры технологических процессов традиционно используются типовые и групповые ТП. Типовые процессы применяются для деталей, обладаю­щих подобием в конструктивном и технологическом плане. С системной точки зрения к числу типовых относятся детали, имеющие одинаковую структуру, то есть набор и связи КТЭ. при различных значениях свойств этих элементов (размеров, свойств материала и т.п.). Групповые процессы используются для деталей, различных в конст­руктивном отношении, но подобных в технологическом плане. Такие детали обладают различной структурой КТЭ. На основе выбранного множества деталей, входящих в груп­пу, обычно разрабатывают комплексную деталь, включающую все типы элементов, встречающихся у деталей группы. Для такой детали разрабатывается комплексный технологический процесс и формируется общая инстру­ментальная наладка. Рабочий ТП для каждой детали из группы определяется составом ее КТЭ и представляет собой подмножество комплексного ТП.

Существуют схемы моделей различных методов. Типовая модель имеет фиксированную структу­ру. Структура рабочего процесса в групповой модели формируется путем удаления лишних технологических действий (операций или переходов). Наиболее общей яв­ляется метамодель, представляющая собой И/ИЛИ-граф. В местах разветвлений на этом графе проставляются условия, определяющие выбор одного из возможных решений.

Если групповая модель строится на базе комплекс­ной детали, то метамодель основывается на виртуаль­ной детали. В отличие от комплексной, виртуальная де­таль может не иметь физической реализации. Это про­исходит в тех случаях, когда в ее состав входят взаимоисключающие элементы, например дополнительные элементы, связанные со шпоночным или шлицевым соединением на одном и том же основном элементе — ци­линдрической ступени вала.

Метамодель является наиболее общей, интегрируя в себе типовую и групповую. В отличие от групповой модели, для формирования структуры ТП она исполь­зует операции не только удаления, но и замены.

Простейший способ ввода таких знаний заключается в рисовании на экране И/ИЛИ-графа с простановкой в соответствующих местах на его ребрах условий вы­бора решений. Сам такой граф в целом также имеет условия своего применения. Именно таким образом, доступным для любого технолога, и организовано фор­мирование знаний структурного синтеза в интеллекту­альной САПР ТП, разработанной в «СПРУТ-Техноло­гии». На основе такой информации автоматически генерируются программные средства базы знаний, кото­рые затем используются при проектировании ТП. Для общепринятого набора КТЭ с использованием общема­шиностроительных нормативных материалов разработана обширная база знаний структурного синтеза операци­онных технологических процессов токарной, фрезерной и сверлильно-расточной обработки.

Метод представления знаний параметрического синтеза.Самым простым способом представления знаний парамет­рического синтеза является использование продукционных систем искусственного интеллекта. В таких системах зна­ния представляются в виде правил-продукций, являющихся аналогами условного предложения естественного языка: ЕСЛИ <условие>, ТО <действие>. Такие правила строят­ся на базе словаря, содержащего термины технического языка и их условные обозначения (идентификаторы). В качестве действий используются расчеты по формулам, выбор данных из многовходовых таблиц, которые могут содержать как константы, так и формулы, выбор информации из баз данных, генерацию графических изображений и т.д. Ниже приведены два правила, связанные расчетом режимов резания. Первое содержит формулу для расчета базовой по­дачи при сверлении отверстий, а второе — коэффициен­ты, необходимые для расчета по этой формуле. Условием применения обоих правил является значение «Сверлить» у переменной «Вид перехода».

Технолог формирует правила параметрического синтеза с помощью специального инструментального средства. Работа с помощью этого средства доступна любому непрограммирующему пользо­вателю. После ввода всех необходимых правил автомати­чески генерируется программное средство базы знаний, которое в дальнейшем используется при проектировании технологических процессов. Базы знаний получаются мо­дульными, открытыми для модернизации и доступными для чтения и понимания любым технологом. Разработаны базы знаний по оснащению и нормированию основных видов технологических процессов.

Создана интеллектуальная система проектирования технологических процессов, не имеющая аналогов и обес­печивающая достижение всех основных и вспомогательных целей, стоящих перед САПР. Проектирование нового ТП с ее помощью занимает считанные минуты. Технологу с помощью простейшего интерфейса необходимо описать деталь, а затем наблюдать за генерацией технологичес­кого процесса, отвечая на редкие запросы компьютера по выбору из допустимого набора тех решений, которые невозможно формализовать. В заключение производит­ся автоматическая генерация технологической докумен­тации с использованием форм документов, принятых на предприятии.

Качество спроектированного ТП практически не зависит от квалификации технолога и определяется содержимым баз знаний.

Генерация баз знаний не требует знаний по про­граммированию и доступна широкому кругу специалистов.