Автоматизація процесу керування вибором пристроїв орієнтування при проектуванні гнучких інтегрованих систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Автореферат

Автоматизація процесу керування вибором пристроїв орієнтування при проектуванні гнучких інтегрованих систем

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація процесів керування

Черепанська Ірина Юріївна

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Автоматизації і комп'ютеризованих технологій” в Житомирському державному технологічному університеті Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Кирилович Валерій Анатолійович

Житомирський державний технологічний університет, професор кафедри автоматизації і комп'ютеризованих технологій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Копп Вадим Яковлевич

Севастопольський національний технічний університет; професор, завідувач кафедрою автоматизованих приладних систем

кандидат технічних наук, доцент

Лапковський Сергій Вікторович

Національний технічний університет України „КПІ”, доцент кафедри технології машинобудування

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний етап розвитку промисловості та економіки України в значній мірі визначається технологічним рівнем автоматизації процесів проектування та технологічної підготовки виробництва (ТПВ) у машинобудуванні та приладобудуванні. Значна роль у цьому належить гнучким інтегрованим системам (ГІС), центральною частиною яких є гнучкі виробничі системи (ГВС), побудовані на базі типових гнучких виробничих модулів (ГВМ), основою яких є промислові роботи (ПР). автоматизація орієнтування керування

Виходячи з того, що ГІС є складною системою, у якій інтегроване технологічне обладнання різноманітного призначення, засоби автоматизації та обчислювальної техніки, однією з задач проектування ГІС є вибір технологічного та інформаційного обладнання ГВС, зокрема визначення їх якісного та кількісного складу на етапі ТПВ, при якому багатоваріантність розробок може призвести до значного зменшення ефективності виконуваних технологічних процесів (ТП). Одним з етапів ТПВ при проектуванні ГІС, зокрема роботизованого виробництва, є вибір складу засобів технічного та технологічного оснащення роботизованих технологічних комплексів (РТК), який передбачає автоматизований вибір пристроїв орієнтування (ПО). ПО є однією із складових системи засобів упорядкування середовища (ЗУС), що виконують певні функції процесу упорядкування об'єктів виробництва (ОВ) - деталей, складальних одиниць, комплектуючих виробів, з якими взаємодіє ПР. При цьому автоматизацію процесу вибору ПО можна розглядати як процедуру визначення та відбору тих засобів автоматичного орієнтування, тобто ПО, що забезпечують автоматичне орієнтування об'єктів виробництва (ОВ).

Очевидно, що вибір обладнання, зокрема ПО, є багатоетапним та трудомістким процесом, що вимагає значних інформаційних та матеріальних витрат для забезпечення ефективності виконуваних ТП. Для зменшення цих витрат і підвищення ефективності отримуваних рішень необхідною є автоматизація процесів керування вибором ПО та обладнання в цілому при проектуванні ГІС, що може бути забезпечено за рахунок створення нових технічних та програмних засобів підготовки та підтримки прийняття технічних рішень із застосуванням різних методів і спеціальних засобів (баз даних, інтерактивних комп'ютерних систем, штучного інтелекту тощо), що відповідають передовим досягненням науки та техніки. Тому автоматизацію процесу керування вибором ПО можна розглядати як інтелектуалізацію процесу автоматизованого вибору ПО, що полягає у прийнятті технічних рішень щодо визначення, у контексті розглядуваної проблеми, оптимального складу так званої системи орієнтації об'єктів виробництва (СООВ) як розподіленої у просторі та у часі підсистеми ГІС. При цьому основою автоматизації процесу керування вибором є прийняття технічних рішень, що може бути забезпечено за рахунок використання системи підтримки прийняття рішень (СППР), яка повинна бути орієнтована на аналіз значних об'ємів різнорідної за проявом та змістом інформації.

Це визначає актуальність проблеми автоматизації процесу керування вибором пристроїв орієнтування для гнучкого механоскладального виробництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано в рамках дослідницької та науково-методичної роботи кафедри автоматизації і комп'ютеризованих технологій Житомирського державного технологічного університету за напрямком “Автоматизація процесів керування складними технічними системами”.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення якості та зменшення трудомісткості рішень, що приймаються при проектуванні складних розподілених у просторі організаційно-технічних об'єктів і комплексів, за рахунок розробки та впровадження інформаційного, методичного, алгоритмічного та програмного забезпечення системи підтримки прийняття рішень для автоматизованих процесів керування вибором пристроїв орієнтування на етапі вибору засобів технологічного оснащення гнучких інтегрованих систем.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. На основі аналізу сутності та особливостей процесу автоматичного орієнтування запропонувати формалізований опис орієнтуючих рухів об'єктів виробництва.

2. Провести аналіз функціональних можливостей пристроїв орієнтування щодо реалізації можливих орієнтуючих рухів при автоматичному орієнтуванні об'єктів виробництва.

3. На основі попередньо визначених функціональних зв'язків між складовими системи орієнтації об'єктів виробництва розробити формалізований опис функціональних можливостей пристроїв орієнтування щодо автоматичного орієнтування об'єктів виробництва, а також формалізований опис системи орієнтації об'єктів виробництва в цілому на основі узгоджених класифікацій та формалізованих описів пристроїв орієнтування та об'єктів виробництва.

4. Розробити методику автоматизованого вибору пристроїв орієнтування як основу системи підтримки прийняття рішень для автоматизації процесу керування вибором пристроїв орієнтування.

5. Розробити інформаційне, алгоритмічне та програмне забезпечення системи підтримки прийняття рішень для автоматизації процесу керування вибором пристроїв орієнтування.

6. Провести апробацію виконаних розробок.

Об'єктом дослідження є проектування ГІС на етапі технологічної підготовки ГВС при виборі технологічного обладнання, зокрема СООВ як розподіленої у просторі та у часі підсистеми ГІС.

Предметом дослідження є процес вибору ПО для використання у проектуванні ГІС, що відрізняються фізичними принципами реалізації, конструктивною та технологічною базами виконання, складом функціональних засобів і устаткування, технічним призначенням і методами керування на різних рівнях ієрархічної структури.

Методи дослідження базуються на застосуванні математичного апарату кватерніонів та еволюційних алгоритмів, зокрема штучних нейронних мереж, методах системного підходу, теорії множин, математичної логіки, обчислювальної математики та комп'ютерного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

– вперше запропоновано новий підхід до автоматизації процесу керування вибором пристроїв орієнтування, що базується на основі штучних нейронних мереж, які використовуються як інтелектуальні моделі прийняття рішень при систематизації та групуванні об'єктів виробництва та пристроїв орієнтування та їх наступному аналізі;

– набуло подальшого розвитку використання математичного апарату кватерніонів для опису будь-яких орієнтуючих рухів об'єктів виробництва, що дозволяє формалізовано описувати переміщення об'єктів виробництва при їх автоматичному орієнтуванні та здійснювати функціональне узгодження з пристроями орієнтування;

– набув подальшого розвитку формалізований опис об'єктів виробництва та пристроїв орієнтування, що відтворює їх конструктивні особливості, функціональні можливості пристроїв орієнтування та дозволяє функціонально узгоджувати пристрої орієнтування та об'єкти виробництва в загальній технологічній системі орієнтації об'єктів виробництва.

Практичне значення одержаних результатів роботи визначається її спрямованістю на зменшення трудомісткості та підвищення ефективності рішень, які приймаються на етапі технологічної підготовки ГВС при виборі обладнання, зокрема ПО, при проектуванні приладо- та механоскладальних ГІС.

Практичними результатами є:

– розроблена методика автоматизованого вибору ПО, яка може використовуватись як основа системи підтримки прийняття рішень при моделюванні, проектуванні та плануванні ГІС, а також при модернізації, переналагодженні та зміні конфігурації ГВС;

– розроблене алгоритмічне та програмне забезпечення, що дозволяє здійснювати автоматизовану класифікацію ОВ та ПО, а також автоматизований вибір ПО.

В цілому результати роботи можуть бути використані на етапі технологічної підготовки ГВС при виборі технологічного обладнання, зокрема ПО, при проектуванні, моделюванні та плануванні ГІС, а також при модернізації, переналагодженні та зміні конфігурації ГВС.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні та практичні результати досліджень, що виносяться на захист, отримані автором самостійно. Особистий внесок здобувача полягає в здійсненні критичного аналізу відомих методів опису орієнтуючих рухів ОВ та розробці формалізованого опису кутових орієнтуючих рухів ОВ з використанням теорії кватерніонів; у розробці формалізованого опису лінійних орієнтуючих рухів ОВ на основі теорії кватерніонів; у розробці формалізованого опису функції переміщення ОВ при автоматичному орієнтуванні; у розробці формалізованого опису функції орієнтування об'єктів роботизованих механоскладальних виробництв, що базується на декомпозиції та формалізованому описі кожної із складових; у розробці підходу до створення автоматизованої класифікацій ОВ ГВС на загальній методологічній основі з використанням технологій штучних нейронних мереж; у розробці підходу до систематизації та групування ПО та ОВ ГВС на загальній методологічній основі з використанням технологій штучних нейронних мереж; у проведенні експериментальних досліджень роботи штучних нейронних мереж для задач систематизації та групування об'єктів виробництва ГВС, у розробці пристрою для орієнтації деталей, на який отримано деклараційний патент України на винахід.

Формулювання мети роботи та задач дослідження, обговорення наукових результатів, новизни та основних висновків за результатами роботи виконані разом із науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались на 8 наукових конференціях різного рівня, зокрема на 6 міжнародних науково-технічних конференціях: „Сучасні проблеми гуманізації та гармонізації управління” (3 - 10 листопада 2004р., Інститут підприємництва та сучасних технологій, м. Житомир), „Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта” (14 - 17 травня 2005р., Севастопольський національний технічний університет, м. Севастополь), „Автоматизация: проблемы, идеи, решения” (10 - 15 вересня 2007р., 14 - 17 вересня 2005р., Севастопольський національний технічний університет, м. Севастополь), „Robtep 2006” ( 19 - 21 травня 2006р., Technical university of Kosice, м. Кошице, Республіка Словаччина), Інформаційно-комп'ютерні технології ІКТ-2006 (7 - 9 грудня 2006р., Житомирський державний технологічний університет, - м. Житомир); 2-х Всеукраїнських науково-технічних конференціях: „Крок у майбутнє” (25 - 27 червня 2003р. , Національний технічний університет України КПІ, м. Київ) та „Якість-2006” (26 - 29 вересня 2006р., ДП „Український науково-дослідний та навчальний центр проблем стандартизації, сертифікації та якості” Держспоживстандарту України, смт. Славське, Львівська обл.); 1-й науково-практичній міжвузівській конференції, присвяченій Дню Житомирського державного технологічного університету (14 - 16 березня 2006р., Житомирський державний технологічний університет, м. Житомир); міжкафедральних семінарах факультету інформаційно-комп'ютерних технологій Житомирського державного технологічного університету „ГВС: проблеми та рішення” (Житомир, 2004 - 2007рр.).

Публікації. За результатами роботи опубліковано 13 наукових праць, 5 з яких у провідних фахових виданнях, 7 - за матеріалами доповідей на наукових та науково-технічних конференціях різного рівня та 1 деклараційний патент України на винахід.

Структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел із 150 назв, загальних висновків та 17 додатків. Повний обсяг дисертації складає 380 сторінок, з них основний зміст роботи викладено на 144 сторінках друкованого тексту. В тексті використано 83 рисунки та 29 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі дається обґрунтування актуальності напрямку дисертаційного дослідження, формулюються мета, задачі і методи дослідження, зазначена наукова новизна і практична цінність роботи.

У першому розділі визначається перспективність розвитку та використання промислових роботів (ПР), що працюють в умовах упорядкованого середовища із розвиненою системою засобів упорядкування середовища (ЗУС) у гнучких інтегрованих системах (ГІС).

Розкрита сутність автоматичного орієнтування об'єктів виробництва (ОВ) - деталей, складальних одиниць, комплектуючих виробів, з якими взаємодіє ПР. Показано взаємозв'язок між ОВ та пристроями орієнтування (ПО), що здійснюють автоматичне орієнтування ОВ як єдиної системи орієнтації об'єктів виробництва (СООВ), що може розглядатись як складова ЗУС. Показано місце задачі автоматизованого вибору ПО при проектуванні ГІС. При цьому зазначено, що на сучасному етапі створення ГІС та ГВС актуальним є питання автоматизованого вибору ЗУС, зокрема вибору ПО та автоматизація процесу керування вибором ПО. Вказано, що процес автоматизованого вибору ПО розглядається як процедура визначення та відбору тих засобів автоматичного орієнтування, тобто ПО, що забезпечують автоматичне орієнтування об'єктів виробництва (ОВ), а автоматизація процесу керування вибором ПО - як інтелектуалізація процесу автоматизованого вибору ПО, що полягає у прийнятті технічних рішень щодо визначення у контексті розглядуваної проблеми раціонального складу так званої СООВ як розподіленої у просторі та у часі підсистеми ГІС, а також як інтегрованого середовища функціонально взаємодіючого комплексу ПО та ОВ.

Зазначено, що автоматизація процесу керування вибором ПО може бути забезпечена за рахунок використання системи підтримки прийняття рішень (СППР), яка повинна бути орієнтована на аналіз значних об'ємів різнорідної інформації.

Сформовано організаційну структуру СППР для автоматизації процесу керування вибором ПО (рис. 1) як інформаційно-програмного комплексу інтерактивних функціональних підсистем або модулів, між якими розподілені окремі етапи вибору ПО із застосуванням інструментів для аналізу, моделювання та прийняття технічних рішень, що функціонують на загальній методологічній основі. При цьому задачі СППР полягають у формуванні та видачі інформації про раціональний склад СООВ за складом характерних ознак ОВ, що задаються користувачем. Так, наприклад, визначення відповідності між множиною ОВ, що необхідно орієнтувати, та множиною ПО, що аналізується для забезпечення автоматичного орієнтування ОВ, може бути здійснено за допомогою інформаційно-пошукового модуля (ІПМ). Робота модуля полягає у визначенні відповідності між множиною ОВ, що необхідно орієнтувати, та множиною ПО для забезпечення автоматичного орієнтування ОВ.

Визначення оптимального складу СООВ виконується у модулі техніко-економічного аналізу (МТЕА). У МТЕА здійснюється вибір оптимальних в прийнятому розумінні моделей ПО із моделей, що були функціонально узгоджені із ОВ у ІПМ, шляхом визначення та розрахунку їх техніко-економічних показників та порівняння між собою отриманих результатів, наприклад, шляхом їх ранжування за збільшенням величини отриманих результатів.

Зазначено, що в основу функціонування СППР повинна бути покладена методика автоматизованого вибору ПО, а подальша інтеграція розробленого методичного, алгоритмічного та програмного забезпечення СППР для автоматизації процесу керування вибором ПО у загальному програмно-інформаційному середовищі призведе до підвищення якості та зменшення трудомісткості рішень, що приймаються при проектуванні ГІС на етапі вибору ПО.

Виконано аналіз існуючих підходів до автоматизованого вибору ПО, що ґрунтуються на використанні сукупності різних методів опису орієнтуючих рухів ОВ, класифікацій ПО та ОВ та на підставі визначених очевидних недоліків обґрунтовано необхідність розробки більш ефективної та універсальної методики автоматизованого вибору ПО та сформовані загальні вимоги, яким повинна відповідати ця методика. Визначено необхідність попередньої систематизації, класифікації ПО та ОВ, формалізованого опису орієнтуючих рухів ОВ, фізико-механічних властивостей ОВ, конструктивних особливостей ОВ та ПО, функціональних можливостей останніх, а також функціонального узгодження ПО та ОВ в загальній системі СООВ з врахуванням вимог сучасного виробництва та сучасного світового робототехнічного промислового ринку.

У другому розділі, який значною мірою присвячений розробці інформаційного забезпечення СППР для автоматизації процесу керування вибором ПО, проводяться теоретичні дослідження проблеми автоматизованого вибору ПО.

На підставі аналізу процесу автоматичного орієнтування ОВ та складу рухів, що виконуються при цьому, розроблено формалізований опис положень ОВ при їх автоматичному орієнтуванні та формалізований опис орієнтуючих рухів ОВ. При цьому за теоретико-інформаційну основу обрано математичний апарат кватерніонів. Використання кватерніонів для формалізованого опису переміщень ОВ при їх автоматичному орієнтуванні дозволяє спростити математичну форму представлення цих переміщень та безпосередньо визначити їх геометричні характеристики та технологічні параметри, координати, напрямок та величину лінійних переміщень ОВ, вісі та кути поворотів.

Відомо, що при автоматичному орієнтуванні ОВ здійснюється два типи орієнтуючих рухів - лінійні (ЛОР) та кутові (КОР).

Множина КОР, необхідних для переведення системи координат x, y, z, зв'язаної з ОВ, з початкового орієнтованого положення (ПОП) у кінцеве орієнтоване положення (КОП) відносно прийнятої абсолютної системи координат X, Y, Z з базисом i, j, k, розглядається як окрема функція КОР і представляється як перетворення ї(v;ю):С>(v;ю) кінцевої множини переміщень ОВ, що упорядковуються у просторі С, в кінцеве наперед задане положення (v; ю), де v, ю - відповідно вектор відносних поворотів та кутові координати ОВ, що орієнтуються.

Вказана функція КОР ї(v; ю) представляється сукупністю параметрів, що визначають положення ОВ відносно абсолютної системи координат ї(v;ю)>[ї₁(ц); ї₂(и); ї₃(ш)], де ї₁(ц), ї₂(и), ї₃(ш) - параметри, що описують поворот ОВ відносно осей X, Y, Z абсолютної системи координат на кути ц, и, ш відповідно.

Параметри, що формують функцію КОР ї(v;ю), представляються відповідними кватерніонами: ї₁(ц)>q₁(v,ц)=cos+i•sin; ї₂(и)>q₂(v,и)=cos+j•sin; ї₃(ш)>q₃(v,ш)=cos+k•sin.

Результатом деякої послідовності КОР ОВ в абсолютній системі координат X, Y, Z, є поворот ОВ на деякий кут ю(ц, и, ш) відносно осі, що колінеарна одиничному вектору v. Причому, функція КОР ї(v; ю) представляється кватерніоном q(v,ю)=cos+v•sin, а послідовність КОР, що описуються відповідними параметрами повороту, - добутком відповідних кватерніонів.

Множина ЛОР, необхідних для переведення системи координат x, y, z, зв'язаної з ОВ, із початкового неорієнтованого положення (ПНП) у ПОП при первинному орієнтуванні, або із ПОП у КОП при вторинному орієнтуванні відносно абсолютної системи координат X, Y, Z з базисом i, j, k розглядається як окрема функція ЛОР, яка представляється як перетворення Ш(l;n):С(l;n) кінцевої множини лінійних переміщень ОВ при орієнтуванні, у тривимірному просторі С в кінцеве наперед задане положення (l;n), де l - величина лінійних переміщень; n - лінійні координати, що задають напрямок переміщень та визначають положення ОВ відносно абсолютної системи координат, n(a, b, c). При цьому функція ЛОР Ш(l;n) описується сукупністю параметрів, що визначають положення ОВ відносно абсолютної системи координат Ш(l;n)[Ш₁(l₁;a); Ш₂(l₂;b); Ш₃(l₃;c)], де Ш₁(l₁;a); Ш₂(l₂;b); Ш₃(l₃;c) - параметри, що описують лінійні переміщення ОВ на величини l₁, l₂, l₃ відносно осей X, Y, Z відповідно абсолютної системи координат; a, b, c - координати відповідних лінійних переміщень.

Параметри, що формують функцію ЛОР Ш(l;n), представляються відповідними кватерніонами: Ш₁(l₁;a)>q₁(vector)=i•a; Ш₂(l₂;b)>q₂(vector)=j•b; Ш₃(l₃;c)>q₂(vector)=k•c.

Результатом деякої послідовності ЛОР ОВ в абсолютній системі координат X, Y, Z є вектор l, який виходить з початку координат 0 в деяку точку N з координатами a, b, c. Причому, довжина вектора l визначається складовими кватерніону q₁(vector)=i•a+j•b+k•c, яким може бути представлена функція ЛОР Ш(l;n): , а послідовність ЛОР, що описується відповідними параметрами лінійних переміщень, - сумою відповідних кватерніонів.

Таким чином, процес автоматичного орієнтування ОВ має дві складові - функцію ЛОР Ш(l;n) та функцію КОР Щ(v;щ) які дозволяють формалізовано описувати склад орієнтуючих рухів (СОР), тобто КОР та ЛОР відповідно, що виконуються при автоматичному орієнтуванні.

Практична реалізація необхідних за технологією вище описаних орієнтуючих рухів може бути забезпечена множиною відомих автоматичних ПО, які відрізняються великим різноманіттям конструкцій та функціональних можливостей. Множина відомих на даний час конструкцій ПО на рівні, що відображає їх функціональне призначення, представляється відповідними складовими функції орієнтування f_ор, яка в даному контексті розглядається як сукупність відомих підфункцій орієнтування, зокрема первинного орієнтування f_п та вторинного орієнтування f_в, а також пропонованих підфункцій просторового орієнтування відносно конструктивних елементів ПО f_пп, визначення зайнятого положення f_зп та взаємного орієнтування f_вп: f_ор>{f_п,f_в,[f_пп,f_зп,f_вп]}.

Підфункція просторового орієнтування відносно конструктивних елементів ПО f_пп виконується при переведенні ОВ із довільного положення у перше будь-яке стійке положення, або від одного стійкого положення до іншого відносно деяких поверхонь або сукупностей поверхонь, що їх замінюють, тобто переведення ОВ із ПНП при первинному орієнтуванні (ПОП при вторинному орієнтуванні) у перше кінцеве орієнтоване положення КОП₁. Найчастіше підфункція f_пп виконується бункерними завантажувально-орієнтуючими пристроями, а також може виконуватись лотками, транспортними системами, що виконують функції орієнтування, різними передавальними пристроями. При вторинному орієнтуванні цю підфункцію виконують універсальні орієнтуючі пристрої.

Вказана підфункція f_пп описується сукупністю параметрів, що визначають положення ОВ на орієнтуючих поверхнях, і представляється сукупністю кутових і лінійних координат, а також вектором лінійних переміщень. Сукупність лінійних та кутових координат визначають початкові та кінцеві положення ОВ відносно системи координат ПО, тобто координати характерної т. А, що розташована на конструктивному елементі ОВ. Вектор лінійних переміщень описує напрям переміщень ОВ (характерної т. А). Формалізований опис представляється виразом: f_пп>щ;n_i;l_j, де щ - кутові координати ОВ, які задаються кватерніоном q(v;щ)=cos+v•sin; v - одиничний вектор, співнаправлений з віссю нахилу ОВ відповідно; щ - кут нахилу осі обертання або симетрії ОВ до орієнтуючих поверхонь; n_i - елементи габаритних розмірів ОВ вздовж відповідних осей абсолютної системи координат X, Y, Z, що в подальшому використовуються при визначенні координат відповідних лінійних орієнтуючих переміщень, n (x, y, z), тобто ПНП - у випадку первинної орієнтації і ПОП - у випадку вторинної орієнтації ОВ, задається координатами x₁, y₁, z₁; положення ОВ при переміщенні вздовж осі X задається координатою x₂, вздовж осі Y - координатою y₂, вздовж осі Z - координатою z₂; де x₁, y₁, z₁ - значення висоти, ширини, довжини відповідно при ПНП - у випадку первинної орієнтації і при ПОП - у випадку вторинної орієнтації; x₂, y₂, z₂ - значення висоти, ширини, довжини відповідно при КОП₁; l_i - вектор лінійних переміщень, що описує напрямок лінійних переміщень характерної т. А відносно системи координат ПО.

Підфункція визначення зайнятого положення f_зп ОВ є основною підфункцією вторинного автоматичного орієнтування. Вона виконується при переведенні ОВ від одного стійкого визначеного положення до іншого відносно абсолютної системи координат, тобто при вторинному орієнтуванні із КОП₁, яке досягається після первинного орієнтування і може бути прийняте як первинне орієнтоване положення ПОП₁, у КОП₂. Цю підфункцію реалізують різні так звані екстремальні автоматичні приєднувально-базувальні пристрої, програмні приєднувально-базувальні пристрої тощо. Вони орієнтують ОВ з внутрішніми та зовнішніми конструктивними елементами на твірній, використовуючи електротехнічні та відбиваючі ознаки ОВ. Електротехнічні ознаки визначаються як електродинамічними параметрами матеріалу ОВ, так і конструктивними ознаками ОВ. Ці ознаки проявляються при взаємодії магнітостатичного, електростатичного та змінного магнітного полів на ОВ, виготовлених з феромагнітних струмопровідних, надпровідних, немагнітних струмопровідних та діелектричних матеріалів. Відбиваючі ознаки проявляються при опроміненні або освітленні ОВ. З використанням таких ознак працюють фотоелектричні, акустичні, інфрачервоні, голографічні та інші екстремальні орієнтуючі пристрої. Таким чином, підфункцію f_зп доцільно застосовувати здебільшого при орієнтації ОВ з внутрішніми конструктивними елементами (внутрішніми отворами, пазами тощо) та із зовнішніми конструктивними елементами на твірній або торцях.

Вказана підфункція f_зп описується сукупністю параметрів, що визначають положення ОВ відносною абсолютної системи координат: f_зп >k_extr ;щ, де k_extr - контур екстремалі; щ - кут повороту ОВ навколо відповідної осі, приймає значення від 0⁰ до 360⁰.

Підфункція взаємного орієнтування f_вп виконується при переведенні ОВ від одного стійкого положення до другого відносно попередньо встановленого або базового ОВ. ПО, що реалізують вказану підфункцію, повинні забезпечувати високу точність взаємного орієнтування і тому конструктивно складніші ПО (адаптивні ПО, ПР тощо) порівняно з ПО, що реалізують підфункції просторового орієнтування відносно конструктивних елементів ПО f_пп та визначення зайнятого положення f_зп.

Орієнтуючі рухи ОВ виражають його положення відносно базового елемента при одночасному його переміщенні та обертанні. Тому параметри, що визначають положення ОВ при реалізації підфункції взаємного орієнтування f_вп, описуються кватерніонами лінійних переміщень і поворотів ОВ відносно осей X, Y, Z наступним чином:, де - кватерніон, що описує переміщення p і поворот o ОВ відносно осей X, Y, Z; n, m - вісі, відносно яких здійснюється переміщення і поворот ОВ, (n, m) (X, Y, Z).

На основі формалізованих описів підфункцій орієнтування стуктуровано представляється формалізований вираз функції орієнтування наступним чином: f_oр>(f_п{f_пп})(f_п{f_пп}f_в{f_ппf_зпf_вп}), де , - математичне позначення логічних функцій кон'юнкції та виключної диз'юнкції відповідно.

Технічна реалізація необхідних за технологією орієнтуючих рухів може бути забезпечена ПО, що виконують підфункції первинного f_п та вторинного f_в орієнтування. В зв'язку з цим між формалізованими описами функції КОР Щ(v;щ), функції ЛОР Ш(l;n) і підфункціями орієнтування, що виділені в результаті аналізу та формалізованого опису функціональних можливостей множини ПО, визначені відповідності: , . Це передбачає логічний формалізований взаємозв'язок між функціями орієнтуючих рухів ОВ та функцією орієнтування f_ор, який може бути синтезований шляхом співставлення необхідних за технологією орієнтуючих рухів ОВ при автоматичному орієнтуванні та функціональних можливостей ПО, що описуються відповідними підфункціями орієнтування. Засобом встановлення цього зв'язку є систематизація та групування ПО та ОВ. посередництвом їх класифікації.

Для систематизації та групування ОВ та ПО посередництвом їх класифікації шляхом аналізу відомих методів автоматизованої класифікації обрано фасетний метод та розроблена відповідна структура класифікації. При цьому за теоретико-інформаційну основу автоматизованої систематизації та групування ОВ та ПО обрано апарат штучних нейронних мереж (ШНМ). Останні дозволяють автоматизувати вирішення задач класифікації ПО та ОВ з використанням множини характеристик та ознак об'єктів, складним чином пов'язаних між собою, та присвоєння об'єкта класифікації відповідному класу в режимі реального часу. Крім того, проста навченість та здатність до перенавчання дозволяють при зміні зовнішніх факторів своєчасно здійснювати перехід на нові види розв'язуваних задач.

Так, для автоматизованої систематизації та групування ОВ з використанням ШНМ їх класифікаційні ознаки умовно розбиті на основну та додаткову фасетні групи. До основної фасетної групи віднесені фасети, класифікаційні ознаки яких несуть визначаючу ОВ інформацію, тобто інформацію про технологію автоматичного орієнтування, про можливість автоматичного орієнтування, про конструктивно-геометричні особливості ОВ. До додаткової фасетної групи віднесені фасети, класифікаційні ознаки яких несуть уточнюючу інформацію щодо вибору ПО для автоматичного орієнтування. Такими ознаками обрані фізико-механічні властивості матеріалу ОВ тощо. В даному контексті формалізований опис властивостей ОВ представлений виразом:, де О - фасетна формула опису властивостей ОВ; Ф_С - фасета „Симетричність”, що характеризує симетрію ОВ, тобто наявність осей і площин симетрії та їх взаємне розташування; Ф_Ф - фасета „Форма”, що характеризує особливості форми ОВ; Ф_КО - фасета „Конструктивні особливості” - характеризує наявність зовнішніх або внутрішніх конструктивних елементів ОВ; Ф_ДО - фасета „Додаткові ознаки” визначає конструкційний матеріал ОВ та його феромагнітні та електродинамічні властивості, відбиваючі ознаки.

Так, наприклад, класифікаційними ознаками фасети Ф_С „Симетричність” виступають ознаки наявності, кількості та взаємного розташування осей обертання та площин симетрії ОВ. Відповідно з цим в основу формалізованого опису фасети Ф_С покладені такі характеристики ОВ як наявність у нього тільки однієї осі обертання o, однієї площини симетрії p₁ та осі обертання o, двох площин симетрії p₁, p₂ та осі обертання o, або трьох площин симетрії p₁, p₂, p₃. Причому, взаємне розташування осі обертання і площин симетрії може бути паралельним та перпендикулярним.

Формалізований опис класифікаційної ознаки Ф_С можна представити у вигляді: Ф_С=o,p_і,; де o - наявність у ОВ осі обертання; p_і - наявність у ОВ площин симетрії, p_і( p₁, p₂, p₃), де p₁, p₂, p₃ - площина симетрії, що перпендикулярна до осі обертання; паралельна осі обертання, тобто проходить через неї; та перпендикулярна іншій площині при відсутності у ОВ осі обертання відповідно; - вид взаємного розташування осей, площин симетрії, тобто паралельно та/або перпендикулярно, {||, }.

Відповідно формалізований опис фасети Ф_С представлений упорядкованою множиною послідовно з'єднаних логічною функцією виключної диз'юнкції формалізованих описів всіх класифікаційних ознак цієї фасети: .

На основі формалізованих описів кожної фасети синтезовано загальний формалізований опис ОВ як набір послідовно розташованих певних параметрів кожної фасети. Цей формалізований опис дозволяє описати будь-який ОВ придатний до автоматичного орієнтування, аналізувати його властивості, визначати СОР, технологію автоматичного орієнтування та вибирати ПО.

Аналогічно здійснена автоматизована систематизація та групування ПО. Їх множина розглядається з різних аспектів автоматизації вибору ПО - як групи функціональних сукупностей за їх функціональним призначенням та як групи окремих механізмів. Такий підхід дозволяє упорядкувати різноманіття відомих на даний час конструкцій автоматичних ПО, виявити у них явно та неявно виражені підфункції орієнтування, визначити відповідність функціональних можливостей ПО вимогам процесу орієнтування.

Класифікаційні ознаки, за якими класифікуються ПО, умовно розбиті на дві групи з виділенням основної та додаткової фасетних груп. До основної фасетної групи віднесені фасети, класифікаційні ознаки яких несуть інформацію про конструктивні особливості та функціональні можливості ПО. Ці ознаки дають можливість визначити можливість функціональної взаємодії ПО та ОВ для забезпечення необхідних орієнтуючих рухів, а також характер силової взаємодії ПО та ОВ для збереження форми останніх при їх автоматичному орієнтуванні. Класифікаційні ознаки фасет основної фасетної групи можуть бути визначальними для автоматизованого вибору ПО. До додаткової фасетної групи віднесені фасети, класифікаційні ознаки яких несуть уточнюючу інформацію про ПО. Ця інформація забезпечує взаємозв'язок з іншими задачами проектування ГВС, які передбачають спряження ПО із суміжним технологічним обладнанням (ТО). Такою інформацією, наприклад, може бути інформація про технологічну гнучкість ПО, тобто його пристосованості до зміни ТП (зміни типорозміру орієнтованого ОВ), дискретність орієнтування ОВ (поштучне орієнтування, орієнтування партіями або безперервне орієнтування) тощо.

Для формалізованого опису властивостей ПО використовується вираз: , де U - фасетна формула опису властивостей ПО; Ф_Ф - фасета „Функціональність” характеризує функціональні відповідності ПО відповідним підфункціям орієнтування f_i; Ф_ФВ - фасета „Функціональна відмітність” характеризує можливість забезпечення виконання орієнтуючих рухів відповідно до технології орієнтування; Ф_СВ - фасета „Силовий вплив” визначає характер силового впливу ПО на ОВ при автоматичному орієнтуванні; Ф_К - фасета „Конструктивність” характеризує загальні конструктивні особливості ПО; Ф_КВ - фасета „Конструктивна відмітність” характеризує особливості конструкцій основних цільових органів ПО, наприклад, захватних, які мають безпосередній контакт з ОВ при їх орієнтуванні; Ф_У - фасета „Універсальність” характеризує здатність ПО до зміни ТП, наприклад, зміни типорозміру орієнтованого ОВ; Ф_Д - фасета „Дискретність” характеризує дискретність орієнтування ОВ, тобто поштучне орієнтування, орієнтування партіями або безперервне орієнтування.

Кожна фасета класифікації ПО представлена як набір певних характеристик ПО. Наприклад, класифікаційними ознаками фасети Ф_СВ „Силовий вплив” є різні типи силових впливів (ТСВ) ПО на ОВ, що відповідно можуть визначати тип системи орієнтування. Тому формалізований опис класифікаційних ознак фасети Ф_СВ представлено набором умовних позначень ТСВ та відповідних типів системи орієнтування наступним чином: Ф_СВ >{П_іНN_SU_IP_AV_KGATLK_ij}; де П_і - умовне позначення параметричної системи орієнтування; і{Тяж, Тер, Ін}, де Тяж, Тер, Ін - скорочене умовне позначення сил, що діють на ОВ: тяжіння, тертя, інерції відповідно; Н - умовне позначення так званої механічної системи орієнтування, яка забезпечує механічний вплив на ОВ при контактному автоматичному орієнтуванні; N_S - умовне позначення магнітної системи орієнтування; S{S,}, де S, - умовне позначення сили магнітостатичного поля та змінного магнітного поля, що діють на ОВ при автоматичному орієнтуванні відповідно; U_I - умовне позначення так званої електричної системи орієнтування; I{I,}, де I, - умовне позначення сили електростатичного та електродинамічного поля, що діють на ОВ при автоматичному орієнтуванні відповідно; P - умовне позначення так званої пневматичної системи орієнтування, яка забезпечує безконтактний вплив сили стисненого повітря або газів на ОВ при автоматичному орієнтуванні; V_K - умовне позначення так званої випромінюючої системи орієнтування, яка фіксує положення ОВ безконтактними випромінюючими елементами; K{Т⁰, U, I}, де - Т⁰, U, I умовне позначення датчиків теплового, ультрафіолетового, інфрачервоного випромінювання відповідно; G - умовне позначення гідравлічної системи орієнтування, яка забезпечує безконтактний вплив сили стисненої рідини на ОВ при автоматичному орієнтуванні; A - умовне позначення так званої акустичної системи орієнтування, яка забезпечує безконтактне орієнтування ОВ з використанням акустичних датчиків; T - умовне позначення системи орієнтування, що використовує технічний зір; L- умовне позначення системи орієнтування, яка використовує голографічні зображення ОВ, що орієнтується; K_ij - умовне позначення так званої комбінованої системи орієнтування, що використовує комбінації різних ТСВ при автоматичному орієнтуванні; i та j - умовні позначення взаємодіючих ТСВ, що можуть приймати їх умовні позначення, наприклад, - умовне позначення комбінованої системи орієнтування, що використовує взаємодію механічного впливу і теплового випромінювання.

На основі формалізованих описів кожної фасети синтезовано загальний формалізований опис ПО як набір послідовно розташованих певних параметрів кожної фасети. Вказаний формалізований опис ПО дозволяє описати будь-який ПО, аналізувати його функціональні можливості, конструктивні особливості, визначати забезпечувані орієнтуючі рухи та ТСВ, що є важливим для визначення функціональної взаємодії ОВ при автоматизованому виборі ПО.

Крім того, на основі вище зазначеного за класифікаційними ознаками основної фасетної групи множини ОВ сформовано 11 груп. Для кожної групи ОВ на підставі відомих всіх можливих орієнтованих положень, що можуть бути зайняті ОВ кожної групи при автоматичному орієнтуванні, за допомогою вище вказаного математичного апарату формалізовано описаний СОР та послідовність його виконання для досягнення цього положення. Відповідно виконання СОР для кожної групи ОВ при автоматичному орієнтуванні ОВ забезпечується ПО з різними функціональними можливостями шляхом використання різних ТСВ на ОВ.

На основі формалізованих описів СОР, ПО та ОВ синтезовано склад СООВ та здійснено її формалізований опис , де OV{О} - ОВ, властивості яких формалізовано описуються вище вказаною фасетною формулою О; СОР{D} - множина орієнтуючих рухів, необхідних для переведення ОВ із ПНП у КОП; PO{f_ор;U} - ПО, функціональні властивості яких формалізовано описуються відповідними складовими функції орієнтування f_ор та вище вказаною фасетною формулою U; - математичне позначення логічної операції кон'юнкції.

Формалізований опис складових СООВ дозволяє визначити функціональну узгодженість між ПО та ОВ для забезпечення автоматичного орієнтування останніх. При цьому на базі множини функціонально узгоджених із ОВ ПО можна сформувати множину варіантів СООВ, які щодо продуктивності, якості виконання автоматичного орієнтування, витрат на формування СООВ тощо будуть не рівноцінними. Тому для визначення конкретних ПО щодо автоматичного орієнтування ОВ необхідним є визначення деяких додаткових критеріїв вибору ПО, які характеризуватимуть якість функціонування СООВ та дозволять зменшити кількість варіантів компонування СООВ, за рахунок чого підвищиться якість отриманих рішень. Вказане може бути забезпечене за рахунок формування критеріїв вибору ПО, обмежень та цільової функції, а також розробки загальної методики автоматизованого вибору ПО.

Третій розділ присвячений розробці методичного забезпечення СППР для автоматизації процесу керування вибором ПО, формуванню критерію оптимальності, обмежень та цільової функції вибору ПО.

Відповідно до розробленої методики, що є основою СППР для автоматизації процесу керування вибором ПО, вибір ПО виконується в три етапи, кожен з яких передбачає вирішення локальних задач. При цьому результати, отримані на кожному з попередніх етапів автоматизованого вибору ПО, є вихідними даними для наступного етапу, варіанти СООВ, що були відкинуті на попередніх етапах, в подальшому не розглядаються.

На І етапі формується множина ПО, функціонально узгоджених з ОВ (множина технологічно-можливих варіантів складу СООВ), тобто фактично формується множина різних за своїм складом варіантів СООВ (рис. 2). На цьому етапі здійснюється синтез та формалізований опис СООВ, в результаті чого отримується множина ПО функціонально та конструктивно узгоджених із ОВ, що орієнтується. Критерієм функціонального та конструктивного узгодження ПО та ОВ є забезпечення СОР та ТСВ.

ІІ етап. Із попередньо сформованої множини ПО формується множина технічно-можливих варіантів складу СООВ (рис. 3). На цьому етапі здійснюється перевірка пропонованої множини варіантів СООВ, зокрема ПО за ваговим критерієм. Всі варіанти, що не задовольняють вказаним вимогам, відкидаються. Будь який варіант складу синтезованої СООВ, що задовольняє вказаним вимогам може вважатись технічно-можливим для забезпечення автоматичного орієнтування ОВ.

На ІІІ етапі на підставі отриманої попередньо підмножини ПО здійснюється їх вибір за критеріями технічної відповідності K_T та економічних витрат K_E (рис. 3).

На цьому етапі здійснюється безпосередній вибір ПО із множини можливих, що задовольняють економічним вимогам та вимогам технічної відповідності. Перевага надається тим варіантам, у яких забезпечується максимальна точність орієнтування, циклова продуктивність, надійність роботи та технологічна гнучкість при мінімумі економічних витрат при проектуванні, впровадженні та експлуатації ПО. Кінцевим результатом автоматизованого вибору ПО можна вважати впорядковану множину ПО за зменшенням величини сукупного параметра якості F₀, який кількісно залежить від показників критеріїв економічних витрат K_E, та технічної відповідності K_T.

Критерій технічної відповідності K_T сформований як сукупність основних експлуатаційних ознак, які входять до технічних характеристик ПО: точністю орієнтування Д, яка визначається найчастіше граничним (іноді середнім квадратичним) відхиленням фактичних координат положення ОВ, що орієнтується, від заданих; цикловою продуктивністю Q - кількістю ОВ, які орієнтуються за одиницю часу; технологічною гнучкістю Г - діапазоном типорозмірів ОВ, що можуть бути орієнтовані ПО. При цьому додатково враховуються вимоги щодо надійності Н або працездатності ПО, що може визначатись коефіцієнтом технічного використання або середнім напрацюванням на відмову, яке визначається як середня тривалість безперервної роботи справного ПО.

Критерій економічних витрат K_E сформований як сукупність одноразових витрат Е₁, що пов'язані із придбанням та монтажем обладнання, та щомісячних витрат Е₂, що пов'язані із утриманням обладнання: витрати на заробітну плату основних робітників; витрати на енергоспоживання; витрати на утримання виробничих площ; витрати на амортизацію, знос та утримання обладнання; накладні витрати.

З врахуванням зазначеного функція цілі для вибору ПО математично представлена сукупним параметром якості F₀, що кількісно залежить від показників критеріїв економічних витрат K_E та технічної відповідності K_T наступним чином: F₀=f(K_T,K_E)>max, де Е - величина економічних витрат на ПО: Е=л₁Е₁+л₂Е₂, де л₁, л₂ - відповідні вагові коефіцієнти важливості: л₁+л₂=b₂; a₁, a₂, a₃, b₁, b₂ - вагові коефіцієнти важливості відповідних показників, значення яких обумовлюється конкретними виробничими умовами або стратегією розвитку підприємства в цілому та можуть бути визначені методами експертних оцінок, системного аналізу, статистичних (експериментальних) розрахунків, аналітичних розрахунків або комбінованими методами.