Автоматизація проектування технологічної оснастки: теорія та практика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний політехнічний університет

Автореферат дисертації на

здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

спеціальність: 05.02.08 - технологія машинобудування

Автоматизація проектування технологічної оснастки: теорія і практика

Жолткевич Григорій Миколайович

Харків - 1999

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Основною метою технологічної підготовки виробництва (ТПВ) є досягнення в ході виготовлення продукції оптимального співвідношення між витратами на виробництво та його результатами. Тенденція до збільшення частки малосерійного виробництва призводить до необхідності підвищення якості та ефективності ТПВ та документування цього процесу. Технологічна підготовка виробництва, яке характеризується гнучкістю, повинна сама мати високий ступінь гнучкості. Одним з напрямків, що забезпечує підвищення ефективності технологічної підготовки виробництва в загалі та малосерійного виробництва зокрема, є автоматизація проектування технологічної оснастки. Аналіз структури витрат на ТПВ дозволяє зробити висновок про те, що проектування та виготовлення технологічної оснастки складає до 93% цих витрат, причому частка витрат на проектування оснастки коливається біля 19% (див. рис. 1). Таким чином, впровадження в проектування технологічної оснастки комп'ютерних технологій суттєво зменшує безпосередні витрати на проектування та опосередковано - витрати на виготовлення оснастки.

В той же час слід звернути увагу на те, що існуючі дослідження з питань автоматизації технологічної підготовки виробництва Цветков В.Д. Структурно-системное моделирование и автоматизация проектирования технологических процессов. - Минск: “Наука и техника”, 1979. - 258 с.^, Гавриш А.П., Ефимов А.И. Автоматизация технологической подготовки машиностроительного производства. - К.: “Техніка”, 1982. - 215 с.^, Митрофанов С.П. Групповая технология машиностроительного производства. В 2-х томах. - Л.: “Машиностроение”, 1983. - 403 с.^, Капустин Н.М., Волков А.Ю., Цехмейструк В.А. Синтез структуры операция при изготовлении в гибком автоматизированном производстве.//Изв. ВУЗов - М.: “Машиностроение”, 7, 1984. - с. 144-148. в основному зосереджені на проблемах синтезу маршруту обробки деталі та інших аспектах, пов'язаних з проектуванням технологічного процесу. На противагу цьому, проблемі автоматизації проектування технологічної оснастки уваги приділяється недостатньо. Аналогічно, в роботах, що присвячені проблемам автоматизації засобів технологічного оснащення, увага в основному зосереджена на автоматизації процесів проектування технологічного обладнання, і задачі, що пов'язані з проектуванням оснастки, також фактично не розглядаються.

Актуальність роботи особливо зростає у зв'язку з процесами структурної перебудови машинобудівної галузі України, що суттєво підвищує значення прискореної технологічної підготовки виробництва. Тема дисертації є частиною напрямку наукової діяльності Харківського науково-дослідного інституту технології машинобудування за Національною програмою України досліджень в галузі критичних технологій, розділ “Прискорена технологічна підготовка виробництва” (номери державної реєстрації 0195U024502, 0395U014669, 0396U008782).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності технологічної підготовки виробництва у машинобудуванні за рахунок зменшення працемістскості та скорочення витрат на проектування та виготовлення засобів технологічного оснащення шляхом використання нової комп'ютерної методології проектування технологічної оснастки та обґрунтування принципів, на яких вона будується. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі задачі:

дослідження структури процесу проектування технологічної оснастки, логічних зв'язків та інформаційних потоків між його компонентами;

аналіз особливостей функцінуювання різних видів технологічної оснастки та їх вплив на структуру процесу проектування, класифікація задач проектування цих видів оснастки, виходячи з їх функціонального призначення;

об'єктивація інваріантів структури процесу проектування технологічної оснастки;

виявлення загальних закономірностей побудови інформаційних моделей технологічної оснастки та розробка апарату їх опису;

аналіз методів машинної графіки з метою визначення адекватного підходу до геометричного моделювання технологічної оснастки, розробка ефективних алгоритмів моделювання геометричних образів ріжучих та формоутворюючих частин технологічної оснастки;

розробка та обґрунтування механізму прийняття проектних рішень та оцінки їх достовірності за умов неповноти інформації, що характерно для процесів проектування;

розробка теоретичних засад та їх використання для побудови ефективних алгоритмів кластер-аналізу елементів технологічної оснастки та проектних ситуацій, що виникають в процесі її проектування;

розробка методів візуалізації результатів проектування технологічної оснастки та автоматизації синтезу її креслень;

перевірка обґрунтованості методології проектування технологічної оснастки шляхом застосування її загальних принципів в системах автоматизованого проектування окремих видів технологічної оснастки та практичного використання останніх;

оцінювання економічної ефективності систем автоматизації проектування технологічної оснастки в машинобудуванні.

Наукова новизна роботи полягає у тому, що на ґрунті аналізу структури проектування технологічної оснастки різних видів об'єктовані інваріантні компоненти цього процесу. Це дозволило розробити та теоретично обґрунтувати нову комп'ютерну методологію проектування оснастки, яка забезпечує скорочення витрат, пов'язаних з проектуванням, у 4-15 разів, підвищення достовірності прийняття проектних рішень та їх якості, наслідком чого є зменшення витрат на виготовлення оснастки на 10-15%. Розроблена методологія базується на:

моделі процесу проектування технологічної оснастки як інформаційного процесу ітеративного (непоточного) типу, що враховує функціональні особливості та технологічні умови використання різних видів оснастки;

класифікації задач проектування технологічної оснастки за критерієм функціонального призначення останньої, виходячи з загального формулювання задачі проектування технологічних пристроїв;

методології моделювання технологічної оснастки та її елементів фреймовими структурами та запропонованій реалізації цієї методології засобами SQL-баз даних;

ефективних алгоритмах моделювання складних геометричних образів, що характерні для елементів певних видів технологічної оснастки;

механізмі прийняття проектних рішень та оцінки їх достовірності, що ґрунтується на оригінальній теорії “нечіткого” виведення, який дозволяє уніфікувати логічний механізм управління процесами проектування як технологічної оснастки, так і її компонентів, а також забезпечує можливість автоматизації фази синтезу конструкції оснастки;

ефективних алгоритмах кластер-аналізу елементів оснастки та проектних ситуацій, теоретичне обґрунтування яких подане в роботі;

методах візуалізації результатів проектування технологічної оснастки та автоматизованого синтезу її креслень.

Практична цінність та реалізація результатів роботи в промисловості. На ґрунті узагальнень, теоретичних досліджень та математичних методів моделювання створено ряд систем автоматизованого проектування технологічної оснастки, що дозволили суттєво підвищити ефективність проектування та виготовлення таких видів технологічної оснастки: ріжучих та контрольно-вимірювальних інструментів, шаблонів для установки та фіксації в процесі зварювання елементів кріплення на панелях транспортних машин, приспособ для збирання трубопроводів паливно-регулюючої апаратури транспортних машин перед зварюванням або пайкою, штампів для роздільних операцій холодного штампування, прес-форм для пресування термо- та реактопластичних матеріалів.

Розроблені системи впроваджені на таких машинобудівних підприємствах:

державне підприємство “Завод імені В.О. Малишева” (м. Харків);

казене підприємство “Харківське конструкторське бюро з дизелебудування” (м. Харків);

виробниче об'єднання “Ижевский машиностроительный завод” (м. Іжевськ, Росія);

державне підприємство “Завод “Арсенал” (м. Київ);

виробниче об'єднання “Кіровський завод” (м. Санкт-Петербург, Росія);

державне підприємство “Феодосійський приладобудівний завод” (м. Феодосія);

виробниче об'єднання “Азовский оптико-механичний завод” (м. Азов, Росія);

науково-виробниче об'єднання “БелОМО” (м. Мінськ, Білорусь);

виробниче об'єднання “Рубцовський машинобудівний завод” (м. Рубцовськ, Росія);

завод “Діапроектор” (м. Рогачьов, Білорусь);

державне підприємство “Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування” (м. Харків);

акціонерне товариство “Завод “Веста” (м. Київ);

акціонерне товариство “Донецький дослідний завод прецезійного устаткування” (м. Донецьк).

Впровадження систем автоматизованого проектування технологічної оснастки дозволило в середньому скоротити терміни проектування зазначених видів оснастки на 75%, виготовлення - на 10%. Економічний ефект отриманий від впровадження цих систем до 1991 року склав 565,2 тис. крб.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися та отримали позитивну оцінку на 12 конференціях, симпозіумах та семінарах, присвячених проблемам прискореної технологічної підготовки виробництва та питанням автоматизації технологічного проектування.

Публікації. Основні результати роботи викладені в монографії, двох наукових виданнях та 21 статті, а також у 12 тезах доповідей на семінарах та конференціях, всього у 36 роботах.

Структура та обсяги роботи. Дисертація має форму наукової монографії, що складається з вступу, шести глав та висновку. Обсяг монографії становить 15,57 авторських аркушів. Вона містить 41 ілюстрацію, 10 таблиць та список літературних джерел з 96 назв.

Основний зміст

Проблема зменшення проміжку часу від моменту виникнення необхідності у будь-якому виробі до моменту початку його виробництва є принциповою для сучасного машинобудування. Вирішення цієї проблеми можливе за рахунок прискорення технологічної підготовки виробництва, аналіз структурної схеми якої (див. рис. 2) дозволяє зробити висновок про те, що скорочення термінів та підвищення якості проектування технологічної оснастки - один з напрямків досягнення конкурентоспроможності машинобудівного підприємства. Іншим відомим напрямком зменшення витрат на ТПВ є використання оборотної технологічної оснастки.

Слід зазначити, що саме технологічна оснастка є тим компонентом технологічної системи, за рахунок якого в основному досягається її гнучкість. В той же час технологічна оснастка являє собою різновид широкого класу об'єктів - технічних пристоїв, тобто виробів машинобудування або приладобудування, функцією яких є перетворення видобуття, переміщення, контроль об'єктів або керування ними. Це дає підставу стверджувати, що процес проектування технологічної оснастки має відповідати загальним принципам проектування технічних пристроїв, маючи, в той же час, певну специфіку, пов'язану з функціонально-конструктивними особливостями останньої. Узагальнення результатів досліджень проектування в машинобудуванні дозволяє характеризувати цей процес як інформаційний, що генерує модель вироба (проект) під управлінням інформації про технічні та інші вимоги до нього. Особливість технічних пристроїв полягає у тому, що вимоги до них носять функціональний характер і, фактично, не містять суб'єктивних компонентів, пов'язаних з нетехнічними уявленнями типу уявлень про естетичність зовнішнього вигляду виробу. Ця особливість, безперечно, розповсюджується і на технологічну оснастку. Однак для неї характерною є також необхідність урахування в процесі проектування ресурсних обмежень пов'язаних з наявністю у інструментальному виробництві тих чи інших технологічних можливостей. Тобто проектування технологічної оснастки слід розглядати як процес проектування за наявності не тільки обмежень, пов'язаних з необхідністю реалізації алгоритму функціювання, що окреслений технічними вимогами до виробу, але й обмежень, пов'язаних з технологічними можливостями його подальшого виготовлення у вже існуючому інструментальному виробництві.

Узагальнено процес проектування в машинобудуванні є взаємодією трьох своїх основних структурних компонентів (фаз): синтезу, аналізу та оцінки (рис. 3). Взаємодія цих компонентів носить нелінійний характер. Можна сказати, що будь-яке проектне рішення виникає під час виконання фази синтезу, конкретне його виконання забезпечується фазою аналізу, а відповідність результату меті проектування - фазою оцінки. Наслідком такої природи процесу є його ітеративний (циклічний характер).

Існуючі роботи з питань автоматизації проектування технологічної оснастки ігнорують наявність цієї циклічності, що призводить до спрощеного уявлення про процес. Наприклад, А.Г. Ракович вважає Ракович А.Г. Автоматизация проектирования приспособлений для металлорежущих станков. М.: “Машиностроение”, 1980. - 136 с., що між інформацією про заготовку, що обробляється, технологічною схемою операції та інформацією, що отримується на виході процесу проектування приспособи, існують функціональні (тобто однозначні) взаємозв'язки, більш того, ці зв'язки можуть бути реалізовані алгоритмічно. Така ситуація дійсно характерна для найпростіших, с точки зору проектних робіт, видів технологічної оснастки, наприклад, інструментів. Але для конструктивно більш складних видів оснастки це припущення не виконується.

Логічна схема проектування технологічної оснастки має вигляд, що поданий на рис. 4 у вигляді діаграми переходів процесу.

З діаграми видно, що процесу притаманна ітератитвність, природа якої пов'язана з неповнотою вхідної інформації, а також з неоднозначністю (варіантністю) результату процедури співставлення, що є причиною утворення конфліктної множини. Це призводить до різних можливих ланцюгів перетворень поточного стану проекту, які здійснюються проектними процедурами. Таким чином, традиційний підхід до вивчення процесу проектування технологічної оснастки фактично залишає поза увагою фазу синтезу конструкції, зосереджуючись на процесі аналізу (методах розрахунку значень параметрів вже існуючої конструкції) та оцінки його результатів. Звичайно, коли розглядається процес проектування конструктивно простих видів технологічної оснастки (наприклад, інструментів) такий підхід є виправданим, оскільки уніфікація їх конструкцій забезпечує розрив проектних циклів. Тобто в цьому випадку дійсно можна обмежитися тільки розглядом задач аналізу і, відповідно, використовувати комп'ютерні технології для автоматизації розрахунків параметрів типової моделі оснастки виходячи з даних про її технологічне призначення та умови функціювання, які визначаються схемою операції. Це дозволяє зробити висновок про те, що традиційне обмеження у дослідженнях процесів проектування технологічної оснастки тільки інформаційними процесами поточного типу, унеможливлює ефективне застосування комп'ютерних методів проектування технологічної оснастки. Слід зазначити, що фаза синтезу, пов'язана з необхідністю проведення розмірковувань індукційного характеру за умов неповноти інформації, на противагу тому, що виконання фаз аналізу та оцінки забезпечується процесами дедуктивного виводу, достатньо глибоко дослідженими в роботах з логіки та штучного інтелекту.

Проблема зменьшення недетермінованості проектування технологічної оснастки, тобто зменшення потужності конфліктних множин, що виникають в ході процесу (див. рис. 4), є однією з основних задач теорії її проектування. Одним з головних методів, що дозволяє вирішувати цю проблему, є уніфікація конструкцій оснастки та її елементів. Така уніфікація може бути різних рівнів. Перший рівень уніфікації конструкції технологічної оснастки та її елементів досягається за рахунок використання параметричних конструкцій. Відповідна уніфікація є уніфікацією на рівні синтезу конструкції, при цьому, слід пам'ятати, що кожна параметрична конструкція задає нескінчену множину своїх реалізацій. Більш глибока уніфікація відповідає випадку стандартизованих елементів. Уніфікація цього рівня розповсюджується не тільки на конструкцію елементів оснастки але, значною мірою, й на технологію їх виготовлення.

Виходячи з наявності певної відповідності між технологічною функцією оснастки та її конструкцією можна знаходити перше наближення до розв'язку задачі синтезу шляхом підбору можливих уніфікованих моделей оснастки, враховуючи ті її технологічні функції, що визначені технологічним процесом. Таким чином, постає необхідність проведення класифікації задач проектування оснастки за її функціональним призначенням. Така класифікація подана у табл.1. Ця класифікація уточнюється, виходячи з технологічних умов функціювання того чи іншого класу оснастки. Таким чином, умови загальної задачі проектування технологічної оснастки складаються з двох основних компонентів: технологічної функції та технологічних умов. Кожний з цих компонентів визначається під час проектування технологічного процесу, який, таким чином, є процесом верхнього рівня для проектування технологічної оснастки.

З діаграми переходів проектування технологічної оснастки (рис. 4) видно, що центральним інформаційним компонентом процесу є дані про поточний стан проекту. Тобто постає задача моделювання цієї інформації. Загальна методика інформаційного моделювання, яка використовується в роботі, ґрунтується на певних механізмах абстракцій.

Таким чином, модель технологічної оснастки та її елементів повинна використовувати адекватну прототипу систему абстракцій. В роботі встановлене, що для моделювання технологічної оснастки достатньо двох абстракцій - абстракції узагальнення та абстракції агрегування. Це відповідає функціональним та конструктивним особливостям останньої.

Механізм абстракцій дозволяє встановлювати зв'язки між поняттями, що використовуються в процесі моделювання. Кожне таке поняття виділяє певний клас об'єктів, який з ним і ототожнюється. Абстракція узагальнення моделює відношення між класами об'єктів, що може бути визначене як “бути різновидом”. Наприклад, класс “різець фасоний” є різновидом класу “різець”, в той же час клас “різець фасонний дисковий” є різновидом класу “різець фасоний”. Цей приклад демонструє той факт, що відношення “бути різновидом” вводить на класах технологічної оснастки ієрархію підпорядкування. Наявність такої ієрархії дозволяє ефективно організовувати процес обробки інформації абстрагуючись від несуттєвих с точки зору поточного стану процесу подробиць. Наприклад, при моделюванні прес-форми на рівні компонування несуттєвими є конкретні дані про литникову систему чи систему охолодження. Використання абстракції узагальнення дозволяє відкласти вирішення питань, пов'язаних з параметризацією та її означенням для цих систем, на подальший час, і використовувати в процесі компонування тільки найбільш суттєві загальні їх характеристики. Відсутність у моделі можливості використовувати абстракцію узагальнення призводить до унікалізації кожної задачі проектування, запереченню існування загальних методів та відмові від використання наукових підходів на користь емпіричних прийомів. Наслідком цього стає неможливість використання комп'ютерних технологій обробки проектної інформації, ефективність яких пов'язана з розв'язанням, так званих, масових проблем.

Не менш важливим механізмом абстракції, що використовується в процесі інформаційного моделювання технологічної оснастки, є абстракція агрегування. Механізм агрегування моделює відношення між класами об'єктів, що визначається як “є складовою частиною” або “є компонентом”. Для кожного технічного об'єкту ця абстракція явно задається його специфікацією. Дійсно, класс матриць штампів, наприклад, складається з об'єктів, що входять як компоненти в об'єкти класу штампів для холодного штампування. В той же час ця абстракція не може бути вичерпана специфікацією. Наприклад, кожний ріжучий інструмент має робочу та кріпильну частини. Ці частини безперечно є складовими інструменту, проте вони не є його складальними одиницями. Тобто абстракція агрегування моделює не тільки відношення між фізичними складовими частинами об'єкту, але й логічне відношення між функціонально різними частинами об'єкту, які не можуть бути відокремлені від нього фізично. На рис. 5 на прикладі затискуючих пристроїв подані фрагменти абстракцій узагальнення та агрегування.

В роботі викладені теоретичні засади апарату моделювання, побудованого на реляційному, в широкому розумінні, підході. Запропонований апарат дозволяє моделювати наведені вище два механізми абстракції: узагальнення та агрегування.

В основу розробленого апарату покладені такі принципи:

агрегування моделі оснастки чи її елементів з елементарних інформаційних одиниць;

наслідування класами компонентів від своїх узагальнень.

Перший з цих принципів використовувався для моделювання технічних систем та технологічних процесів в роботі М.Є. Єпіфанова, М.Ю. Орлова та Г.С. Плесневича. Другий принцип полягає в тому, що за умов наявності у визначеного класу об'єктів з предметної області проектування технологічної оснастки певних компонентів, аналогічні компоненти мають і класи, що є різновидами цього визначеного класу. Це дозволяє суттєво зменшувати обсяг інформації при моделюванні технологічної оснастки. Наприклад, наявність ріжучої частини у об'єктів класу “ріжучий інструмент” автоматично потребує її наявності у різновидів ріжучого інструменту.

При створенні інформаційної моделі будь-якого класу технологічної оснастки вводиться дві множини імен: N - імена понять (класів), що необхідні для моделювання, та R - імена, за допомогою яких встановлюються зв'язки між поняттями. В множені N виділяються імена первинних інформаційних елементів - чисел, символів, рядків тощо.

В наведених формулах використане позначення F(X,Y) для множини функцій, що діють з множини X в множину Y, зі скінченою множиною визначення, та dom(f) для множини визначення функції f.

Для кожного імені непервинного поняття n задається скінчена множина пар, яка позначається через у(n) і має назву сигнатури поняття n. База непервинного поняття визначається індуктивно за наступними формулами:

Таким чином, з кожним поняттям предметної області (фреймом - прототипом) пов'язана множина можливих його прикладів - база. Проте не всі елементи бази є зразками фрейму - прототипу. Для того, щоб виділити серед елементів бази підмножину коректних прикладів фрейму (фреймів - зразків), вводяться обмеження, які визначають екстенсіонал фрейму, тобто множини коректних фреймів - зразків. Екстенсіонал фрейму з іменем n позначається E(n). Необхідність введення поять бази та екстенсіоналу пов'язана з необхідністю моделювання крім структурних зв'язків, що досягається на рівні визначення бази, але й певних відповідностей і залежностей, що повинні виконуватися в конструкції оснастки. Наприклад, у приспособі поданій на рис. 5 на рівні бази можна промоделювати наявність шпильки та гайки з певними характеристиками різьби у кожної. Але для тог, щоб така пара шпилька - гайка використовувалася у приспособі необхідно накласти додаткові обмеження: характеристики різьб мають співпадати. Таким чином, до екстенсіоналу приспособи входить лише така пара шпилька - гайка, для якої зазначена умова справедлива.

Сигнатури фреймів моделюють відношення “бути складовою частиної”, тобто запропонована схема дозволяє використовувати абстракцію агрегування. Абстракція узагальнення забезпечується в цьому методі шляхом введення на множині імен фреймів - прототипів відношення порядку.

Прикладом реалізації викладеної методики моделювання предметної області проектування технологічної оснастки є описана в монографії реляційна модель предметної області проектування інструментів. Ця модель базується на таблицях відношень: КЛАСИ, ПАРАМЕТРИ, ХАРАКТЕРИСТКА, КЛАСИФІКАЦІЯ та ЗНАЧЕННЯ.

Відношення КЛАСИ має всього два стовпчика: [назва класу] та [безпосередній надклас]. Під надкласом обраного класу розуміють такий клас, що кожний представник обраного класу належить також і надкласу. Мінімальний з надкласів обраного класу називають безпосереднім надкласом. Наприклад, запис про клас підрізних різців буде мати вигляд “(підрізний різець, різець)”.

Цей запис фіксує в базі даних системи інформацію про те, що підрізний різець є різновидом різця. Зрозуміло, поняття “інструмент” є найбільш загальним поняттям предметної області, що розглядається. Тобто база даних повинна містити запис “(інструмент, NOTHING)”, що моделює це твердження.

Інформаційний образ будь-якого інструменту у відповідності до загальної схеми агрегується з його характеристик. Виходячи з цього вводиться відношення ПАРАМЕТРИ зі стовпчиками: [назва параметру], [тип даних], [фасет парамету]. Слід зауважити, що тип даних задає базу параметру, а фасет параметру - обмеження, які виділяють екстенсіонал з бази. Наприклад, для основного кута в плані в базі даних має бути зафіксований запис “(основний кут в плані, REAL,)”.

Зв'язок між класами та параметри встановлюється відношенням ХАРАКТЕРИСТИКА, що має стовпчики [назва класу], [назва параметру], [умови]. Таким чином твердження “різець характеризується основним кутом в плані, значення якого лежать в діапазоні від 0? до 90?” моделюється в базі даних системи записом “(різець, основний кут в плані, NOTHING)”. Константа NOTHING використовується в цій ситуації з метою відображення того, що додаткових до фасету обмежень на значення основного кута в плані для класу різців не вводиться.

Для зберігання інформації про конкретні екземпляри інструментів використовуються ще два відношення КЛАСИФІКАЦІЯ та ЗНАЧЕННЯ зі стовпчиками [позначення], [назва класу] та [позначення], [назва параметру] та [значення параметру] відповідно. Перше з відношень визначає зв'язок між екземпляром інструменту та тим найбільш конкретними класом, до якого цей екземпляр належить. Вона складається з записів, прикладом яких є наступний “(АДР2106.4567, різець прохідний прямий)”.

Відношення ЗНАЧЕННЯ визначає зв'язок між екземпляром інструменту, параметром та значенням цього параметру. Прикладом такого запису є “(АДР2106.4567, основний кут в плані, 85?)”.

Розроблена в роботі реалізація загального підходу до інформаційного моделювання засобами SQL-баз даних широко використовувалася автором для моделювання предметних областей проектування інших видів технологічної оснастки. Її безперечна позитивна риса полягає в тому, що ця реалізація дозволяє інтегрувати в рамках єдиного підходу різнорідні дані, що є характерною рисою задач автоматизації проектування технологічної оснастки. Зокрема, значенням параметру, що характеризує інструмент може бути, наприклад, лінія, що задає ріжучу кромку інструменту, чи будь-яка інша геометрична структура.

Важливість інтеграції в структуру моделі технологічної оснастки геометричного компоненту пов'язане з тим, що геометрична форма є однією з найбільш важливих характеристик машинобудівного виробу взагалі та одиниці технологічної оснастки зокрема. Зважаючи на це, важливою задачею, необхідність розв'язання якої виникає під час розробки будь-якої системи автоматизованого проектування технологічної оснастки, є задача вибору адекватних методів геометричного моделювання. Аналіз існуючих методів геометричного моделювання автор проводив на базі класифікації елементів оснастки за їх геометричною формою (див. рис. 6). Методи моделювання стандартизованих та загальномашинобудівних геометричних об'єктів добре відомі і базуються на методах конструктивної геометрії.

Однак при проектуванні оснастки, що має в своєму складі деталі, геометрія яких не може бути описана аналітичними залежностями, типу формоутворюючих деталей витяжних штампів, прес- та ливарних форм, шаблонів для контролю плазових поверхонь постає проблема моделювання плазових кривих. Підходи до моделювання таких об'єктів здебільшого базуються на апроксимації кривих частково-кубічними функціями. Слід зазначити, що цей підхід може призвести до осциляції (тобто коливань) кривої, що будується, в околах контрольних точок (див. рис.7). Це явище виникає у наслідок певного протиріччя між вимогами неперевності другої похідної кривої та простоти її параметризації. Сутність проблеми полягає у тому, що похідні кривої не мають геометричного характеру і, таким чином, залежать від способу параметризації. Технологічним наслідком осциляції кривої при виготовлені оснастки є видовбування поверхні, що обробляється, ріжучим інструментом. Це призводить до втрат точності геометричної форми поверхні деталей технологічної оснастки. Знайдений в монографії метод забезпечення неперервності геометричних характеристик кривої (орту вектору дотичної та кривизни) дозволив побудувати ефективний алгоритм знаходження кривої, що проходить через задані контрольні точки. При цьому вдалося уникнути явища осциляції. В основу методу покладене твердження про те, що за умови вибору в якості параметру кривої її натурального параметру ніяких негативних явищ при інтерполяції не відбувається. Оскільки вибір натурального параметру (довжини кривої) неможливий з суто технічних причин необхідно апроксимувати його. Як апроксимація у запропонованому методі вибирається довжина ламаної, що з'єднує контрольні точки.

Проектування технологічної оснастки, як вже відзначалося, є процесом перетворення інформації, тому розробка науково обґрунтованих методів організації, відображення та зберігання проектної інформації становить одну з провідних задач в галузі автоматизації цього процесу. Розглянуті вище особливості та методи моделювання інформації, що виникає під час проектування оснастки, дозволяють зробити висновок про наявність у такої інформації основних рис, характерних для знань.

Слід нагадати, що термін знання використовується для позначення особливо організованих масивів інформації, що мають свій зміст, структуру, необхідні зв'язки, процедури прийняття рішень. Елементи таких масиви інформації характеризуються:

внутрішньою інтерпретованістю, тобто наявністю системи імен, що використовуються як для позначення самих елементів так і для позначення зв'язків між ними;

рекурсивною структурованістю, тобто можливістю при нреобхідності розчленовувати (декомпоновувати) елемент знань на його складові частини і навпаки агрегувати елемент знань з його складових частин. Ця властивість елементів знань означає наявність між ними відношень тиму “частина - ціле” та “вид - різновид”;

зв'язністю, тобто можливістю встановлювати між елементами знань зв'язків, що дозволяють інтегрувати їх у єдиний смисловий контекст;

активністю, тобто провідною, на відміну від даних, роллю в процесі обробки інформації. Процедура прийняття рішення виконується тому, що виникла певна конфігурація знань, яка активізує цю процедуру;

функціональною цілісністю, тобто можливістю вибору результату, часу та засобів його отримання, форми відображення та механізму оцінки.

Уніфікація конструкції технологічної оснастки та її елементів призводить до більш (стандартні елементи) чи менш (параметричні конструкції) жорстких обмежень структури їх інформаційних образів. Можна сказати, що ця уніфікація накладає на можливу реалізацію конструкції оснастки рамку (фрейм). Проектування ж оснастки в цьому випадку можна розглядати як налагодження тих параметрів (слотів фрейма), що їх значення не фіксуються рамкою уніфікації. Таким чином, природним механізмом організації знань про технологічну оснастку є механізм фреймів, вперше використаний М. Мінським у зв'язку з проблемами психології комп'ютерного зору. Наприклад, фрейм, що відповідає класу різців складається з двох фреймів - компонентів: робоча та кріпильна частини. Ці фрейми - компоненти мають у своєму складі відповідні слоти. Наприклад, фрейм робочої частини має слот, позначений як г - передній кут. Предметна область проектування інструментів у наслідок достатньо повно проведеною уніфікацією моделюється досить простою фреймовою структурою. В той же час, проектування більш складної оснастки призводить до необхідності використовувати цілі мережі фреймів. При цьому означення слотів деякої частини з фреймів породжує процес пердачі даних слотам інших фреймів мережі. Наприклад, при проектуванні шаблонів для встановлення та приварювання кріпильних елементів типу бонок та стрижнів на панелі транспортних машин з елементів комплекту ПСРП - П виникає необхідність переходу до координат центрів цих кріпильних елементів у єдиній системі відліку від інформації про їх відносне розташування, що подана на кресленні. На рис.8 показаний приклад вихідної інформації, що подана на креслені та результат переходу до єдиної системи координат.

Інформаційне моделювання є необхідною передумовою використання комп'ютерних технологій при проектуванні технологічної оснастки. Інформаційна модель є тим середовищем, в якому виконуються проектні процедури - елементарні процеси перетворення інформації. Найбільш складними з них є процеси синтезу конструкції технологічної оснастки. Для простих різновидів оснастки, наприклад інструментів, фаза синтезу зводиться до знаходження типової параметричної моделі. В цьому випадку задача синтезу стає різновидом задачі діагностики і може бути сформульована так: за даними вихідними технологічними функцією та умовами знайти клас оснастки, що забезпечує виконання цієї функції з урахуванням визначених умов. Таким чином, задача може бути розв'язана, якщо існує відповідність між завданням на проектування (завдання на проектування = технологічна функція + технологічні умови) та схемою екземплярів певного класу технологічної оснастки. Оскільки ця відповідність не обов'язково однозначна, виникає необхідність у оцінці різних альтернатив - вибору з конфліктної множини.

Модель механізму оцінки відповідності може бути побудована так. Нехай X - множина, елементам якої відповідають технологічні функції та умови, Y - множина схем класів оснастки. Відповідність між множинами X та Y в цих термінах (точніше детермінована відповідність) - це елемент множини, тобто множини підмножин множини. Таким чином, для відповідності фраза “технологічним функції та умовам x відповідає оснастка класу y” моделюється формулою:. Об'єктивно притаману процесу проектування недетермінованість можна врахувати шляхом введення випадкової величини о на деякому ймовірностному просторі зі значеннями в множині. Така інтерпретація дозволяє визначити числову оцінку рівня відповідності елементів x та y за формулою:, тобто ця оцінка дорівнює ймовірності того, що елементи x та y відповідають один одному відносно випадкової велечини о. Параметричний простір Щ можна вважати, наприклад, простором пов'язаним з опитувань експертів, а ймовірностну міру P - розподілом ймовірностей, пов'язаним з різницею думок експертів щодо нявності відповідності.

Дуже важливим окремим випадком відповідностей, що використовуються при моделюванні процесів проектування технологічної оснастки є випадок відповідності подібності або еквівалентності. Відповідності цього типу виникають у зв'язку з необхідністю класифікувати об'єкти за деяким критерієм. В реальних задачах класифікації (або кластер-аналізу), що адекватні задачам проектування, ці критерії, як правило, є непевними, розмитими. В цьому випадку розглядаються відповідності між елементами однієї множини, яку можна позначити, наприклад, X. Відношення еквівалентності на X є відношення, що задовільняє таким вимогам:

кожний елемент співідноситься сам з собою (рефлексивність);

якщо елемент x відповідає елементу y, тоді й навпаки елемент y відповідає елементу x (симетричність);

якщо елемент x відповідає елементу y, а елемент y відповідає еле-менту z, тоді й елемент x відповідає елементу z (транзитивність).

Для випадкової величини о зі значеннями у множині відношень еквівалентності на множині X можно ввести функцію, що оцінює розрізненість між елементами цієї множини за формулою:.

В роботі вивчені властивості введеної функції або міри розрізненості та побудована відповідна теорія. Зокрема, крім мір розрізненості, що виникають за викладеною вище схемою, вивчені більш загальні випадки і встановлено, що це узагальнення не призводить до суттєвого розширення теорії.

Важливим застосуванням теорії мір розрізненості є побудова пов'язаних з відношеннями еквівалентності розбиттів скінченої множини об'єктів. Розбиття такого класу відіграють важливу роль у задачах розміщення елементів оснастки при збиранні приспособ з уніфікованих елементів.

В монографії доведено теорему єдиності розрізняючого розбиття за умови визначеної кількості його атомів. Ця теорема обґрунтовує коректність наведених в монографії алгоритмів побудови розпізнаючих розбиттів на скінченій множині об'єктів. Розроблені алгоритми застосовуються для автоматизації процесів синтезу приспособ з уніфікованих елементів комплектів переналагоджувальної оснастки, зокрема оснастки для установки на панелі транспортних машин для подальшого приварювання кріпильних елементів типу бонок та стрижнів (ПСРП-П) та оснастки для збирання та контролю трубопроводів паливно-регулюючої апаратури (ПСРП-Т). Під час синтезу приспособи зі стандартних елементів необхідно враховувати їх взаємне розташування і забезпечити неперетинність обсягів простору, які займають ці елементи в приспособі. Наприклад, стандартний установочний вузол, що збирається з елементів комплекту ПСРП-П має вигляд, який показаний на рис.9. Ці елементи встановлюються на трубах, які орієнтовані вздовж вісі OX або вісі OY. Виліт дорівнює відстані від вісі такої труби до центру кріпильного елементу, що встановлюється.

Тобто в ситуації, що розглядається можна використовувати отримані в монографії загальні результати про розпізнаючі розбиття для множини точок центрів кріпильних елементів. Це дозволяє побудувати та обґрунтувати алгоритм, що проводить розбиття кріпильних елементів на групи, елементи яких можуть бути встановлені за допомогою однієї приспособи. Причому теоретичні результати гарантують оптимальність за критерієм мінімальності кількості проектуємих приспособ. Вказаний критерій має не тільки значення для оцінки складності проектування та подальшого збирання приспособ. Мінімальність кількості приспособ забезпечує також підвищення точності виконання технологічного процесу та його ефективності, зважаючи на зменшення підготовчого часу та кількості переустановок оснастки.

Приняття проектних рішень в запропонованій автором новій комп'ютерній методології проектування технологічної оснастки, що запропонована у роботі, яка захищається, здійснюється з використанням механізму виведення за продукційними правилами та нечіткими продукційними правилами. Теорія нечіткого виведення є оригінальним апаратом, адекватним задачам синтезу технологічної оснастки. Продукційні правила виведення широко застосовуються в системах штучного інтелекту, зокрема в експертних системах медичної та технічної діагностики. Інтеграція цього підходу до автоматизації роз'язання проблем та викладених вище методів моделювання предметної області проектування технологічної оснастки дозволив розробити автоматизовані системи проектування кількох класів технологічної оснастки з інтелектуальною поведінкою.

В роботі розглянуто два різновиди продукційних правил - фактологічних та операційних. Обраний спосіб моделювання предметної області дозволяє без втрати загальності обмежетись тільки фактологічними правилами, тобто правилами виду:

“Якщо одночасно є вірними твердження H₁, …, H_n, тоді поміж тверджень C₁, …, C_m хоча б одне є також вірним”.

В монографії описаний найбільш загальний клас задач, що можуть розв'язуватися з застосуванням механізму виведення на основі продукційних правил. Однак слід зазначити, що виведення за продукційними правилами дає можливість моделювати процес приняття проектних рішень в умовах повної визначеності та достовірності вхідної інформації. При проектуванні технологічної оснастки повна визначеність та достовірність має місце під час аналізу об'єкту оснащення. Наприклад, розглянутий вище процес переходу від інформації щодо взаємного розташування центрів кріпильних елементів, яка передається кресленням панелі, до інформації про їх координати у єдиній фіксованій системі координат, що пов'язана з панеллю, при проектуванні приспособи з елементів комплекту ПСРП-П. Зрозуміло, що такий перехід можна виконати в ручну, але при реальних кількостях точок на панелі, що підлягають обробці, використання комп'ютерних технологій при виконанні такої операції не тільки доцільне але й необхідне. В базі знань такої підсистеми знаходяться правила виведення типу (див. рис.8): “Якщо точка P знаходиться праворуч від точки Q на 306 мм, тоді до бази даних треба додати рівняння ”. Аналіз цих правил методом стекового виведення дозволяє знайти координати всіх центральних точок кріпильних елементій у вибраній системі координат за умови, що інформація на кресленні повна. В разі неповноти інформації підсистема аналізу креслення дозволяє визначити, яка з необхідної інформації відсутня. Як видно, ці правила мають категоричний характер. Аналогічно, зазначена система має правила типу: "Якщо точка P знаходиться праворуч від точки Q на 306 мм з допуском ±0,1, тоді до бази даних треба додати нерівність ". Сформована у такий спосіб система нерівностей визначає вимоги до точності збирання приспособи.

В той же час, правила, які використовуються під час синтезу конструкції не мають такого категоричного вигляду. Наприклад, при проектуванні штампу для холодного штампування виникає задача вибору схеми штампування: суміщеної чи послідовної. Оскільки немає чітких та однозначних критеріїв такого вибору, то використовуються правила “нечіткі”, наприклад:

“Якщо габаритні розміри деталі не перевищують 250 мм, а товщина матеріалу лежить в діапазоні від 0,2 до 6 мм, тоді слід використовувати послідовну схему штампування з рівнем впевненості 0,7”.

Саме некатегоричність є характерною особливістю цих правил. Вони задають не безумовно вірне твердження, а лише визначають рівень впевненості у запропонованому рішенні. Такі правила широко використовуються в експертних системах, проте в дисертації, на погляд автора вперше, викладена обґрунтована методика обробки таких правил.

Ця методика базується на узагальнені поняття інтерпретації доступних системі фактів шляхом переходу від класичного визначення, як бінарного розподілу значень для цих фактів (“так” чи “ні”), до ймовірностної міри на множині таких класичних інтерпретацій. Це дає можливість строго визначити інтуітивний термін “рівень впевненості”, що використовується у випадку використання нечітких правил виведення. А саме, кожне правило задає нижню границю для можливих умовних ймовірностей відносно мір - інтерпретацій. Таким чином, система правил, чи база знань, у відповідності до термінології експертних систем, визначає обмеження на ймовірностні міри, що задають впевненості у фактах. Таким чином, задача виведення результатому перетворюється на задачу визначення нижньої границі ймовіності цього результату за умови достовірності всіх фактів, які задають вихідні дані задачі, на множині тих ймовірностних мір, що не протирічать обмеженням бази знань.

Строге формулювання потребує деяких позначень. Нехай B - множина всіх фактів, які можуть бути використані в процесі проектування, P(B) - множина підмножин множини B, F(B) - множина скінчених підмножин множини B. Нечітке правило виведення - це трійка, в якій X - множдина фактів - висновків, Y - множина фактів - припущень (гіпотез), а C(X | Y) - оцінка впевненості в тому, що хоча б один з висновків вірний за умов достовірності гіпотез. Кожна така трійка накладає обмеження на можливі ймовірностні міри - інтерпретації фактів у такий спосіб:

трійка дозволяє розглядати тільки ті ймовірностні міри P, для яких виконується нерівність.

Таким чином, в роботі вдалося дати формальну постановку задачі виведення висновку виходячи з початкових умов, використовуючи “нечіткі” правила виведення, яка характерна для проектування технологічної оснастки.

Наприклад, деякі правила виведення, що використовуються в задачі прийняття рішення про вибір схеми штампування деталей при проектуванні технології штампування і відповідної штампової оснастки мають вигляд:

“Якщо вимагається середня чи понижена (15 - 17 квалітет) точність штампування, тоді з впевніністю не менше як 0,5 вибирається послідовна схема штампування”;

“Якщо вимагається висока якість виготовлення деталей (відсутність погнутостей, висока якість зрізу), тоді з впевніністю не менше як 0,5 вибирається суміщена схема штампування”.

Подана в монографії методика використання “нечіткого” виведення та розв'язання відповідних задач була застосована при автоматизації процесів синтезу в САПР приспособ з елементів комплектів ПСРП-П та ПСРП-Т, САПР штампів для холодного штампування, САПР прес-форм для термо- та реактопластичних матеріалів. Досвід використання цих систем у промисловості дозволяє зробити висновок про обґрунтованість запропонованої методики.

Завершальними стадіями проектування будь-якого виду технологічної оснастки є стадії загальної оцінки результатів роботи та випуску проектної документації. Для технологічної оснастки це великою мірою пов'язане з відображення реалістичного геометричного образу спроектованого пристрою та генерацією його креслень.

Реалістичний образ геометричного тіла на моніторі комп'ютера можна отримати шляхом відображення розподілу яскравості відбитого поверхнею цього тіла світла. Відповідний образ створюється завдяки керуванню яскравістю (точок зображення) пікселів зображення так, щоб врахувати світлотіні, які виникають при освітлені тіла паралельним жмутком променів.

Подана модель враховує дві компоненти яскравості поверхні: I_s - яскравість дзеркального відбиття; I_d - яскравість дифузного відбиття. Яскравість дзеркального відбиття є наслідком загального закону відбиття світла від абсолютно дзеркальної поверхні і пропорційна скалярному добутку вектору зору та нормального вектору поверхні. Ця яскравість вносить лише частку у загальне відбиття, оскільки для реальних тіл має місце дифузне розсіювання світла. При дифузному відбитті кількість відбитого поверхнею світла однакова у всіх напрямках, тому яскравість такого відбиття пропорційна скалярному добутку напрямку падаючого світла на нормальний вектор поверхні. Під час налагодження програмного забезпечення методом числового моделювання та візуальної оцінки результатів біли встановлені такі значення невідомих коефіціентів для доданку, що відповідає яскравості дифузного відбиття: m = 0,9; g = 0,1; k = 8.

Оскільки в роботі послідовно провадиться об'єктний підхід до моделювання технологічної оснастки та її елементів, це ставить задачу документування, тобто переходу від представлення проектної інформації у вигляді, що використовується під час проектування, до представлення її у вигляді креслень для подальшого використання у виробництві.

Основна типова проблема при здійсненні такого переходу полягає у необхідності побудви векторної моделі кривої на площині, що відповідає растровому образу такої кривої. Растрові образи кривих виникають при побудові проекцій та перетинів геометричних тіл методом скануючого променя.

Растровий образ кривої (див. рис.11) представляє собою послідовність вузлів дискретної сітки на площині, через які з певною похибкою повинна ця крива проходити. Зважаючи на те, що при виконанні креслень в основному використовуються криві, які складаються з відрізків прямих та дуг кіл.

При цьому максимум відхилення відповідає максимальному власному значенню цієї задачі. Таким чином, проблема виділення прямолінійних фрагментів контуру може бути ефективно розв'язана шляхом використання спектральних обчислювальних методів для позитивної матриці другого порядку.

В цілому, запропонована в роботі нова методологія комп'ютерного проектування оснастки для технологічних процесів у машинобудуванні була використана в розробках Харківського науково-дослідного інституту технології машинобудування. Були створені та впроваджені в промислову експлуатації на заводах України, Росії та Білорусі системи автоматизованого проектування:

ріжучих та контрольно-вимірювальних інструментів (САПР “Інструмент”);

приспособ для установки кріпильних елементів типу бонок та стрижнів на панелях транспортних машин під зварювання з елементів комплекту

ПСРП-П (САПР “Шаблон”);

приспособ, що орієнтують та фіксують деталі трубопроводів паливно-регулюючої апаратури, для зварювання та паяння з елементів комплекту ПСРП-П (САПР - Т);

форм для пресування термо- та реактопластичних матеріалів (САПР “Харків-прес”);

штампів для роздільних операцій холодного штампування (САПР “Харків-штамп”).

Впровадження та досвід експлуатації цих систем дозволяє зробити висновок про обґрунтованість та надійність запропонованих автором теоретичних засад та побудованої на їх основі нової методології комп'ютерної проектування технологічної оснастки.

В роботі також вивчене питання про економічну доцільність використання розроблених систем. Їх ефективність зумовлюється такими чинниками:

зниження працемістскості проектування технологічної оснастки;

прискорення процесів технологічної підготовки виробництва;

підвищення рівня нормалізації та уніфікації конструкції технологічної оснастки та її вузлів;

підвищення рівня оснащення технологічних процесів в машинобудуванні;

підвищення якості проектування технологічної оснастки;

підвищення ефективності праці конструкторів оснастки.

Звичайно ці чинники мають різну вагу для різних систем автоматизованого проектування технологічної оснастки. Але в будь-якому випадку вони дозволяють зменшити витрати на проектуання технологічної оснастки за рахунок підвищення продуктивності праці інженерного персоналу, зменшити витрати на виготовлення технологічної оснастки за рахунок якості проектування та рівня нормалізації та уніфікації конструкцій, а також витрати на впровадження оснастки. Незважаючи на те, що використання САПР технологічної оснастки дає можливість зменшити затрати не тільки під час технологічної підготовки виробництва, але й в самому виробництві, врахувати та достовірно оцінити це зниження витрат не видається можливим.

Рішення про доцільність використання тієї чи іншої системи автоматизованого проектування технологічної оснастки повинно прийматися в результаті співставлення витрат при базовому (ручному) проектуванні з витратами, що пов'язані з переходом до технології автоматизованого проектування, та поточними витратами на таке проектування.

...