Методы и средства построения принципиальной схемы технологического процесса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы и средства построения принципиальной схемы технологического процесса

Введение

Формулируются задачи, стадии и исходные данные для проектирования принципиальной схемы технологического процесса (ТП). Приводятся классификация методов автоматизированного проектирования ТП и модель многоуровневого процесса проектирования с выбором рациональных решений. Рассматриваются итерационный алгоритм процесса проектирования на каждом уровне и алгоритм формирования принципиальной схемы ТП.

1. Общая постановка задачи

Цель проектирования технологических процессов - дать подробное описание операций изготовления изделия с необходимыми технико-экономическими расчетами и обоснованиями принятого варианта. Эта основная проблема проектировщика дополняется последующей задачей внедрения спроектированного технологического процесса на предприятии. В результате составления технологической документации инженерно-технический персонал и рабочие-исполнители получают необходимые данные и инструкции для осуществления спроектированного технологического процесса в конкретных производственных условиях.

Проектирование технологических процессов начинается с анализа технического задания (ТЗ) на проектирование, включающего следующие элементы: рабочий чертеж изделия с техническими условиями или сборочный чертеж узла с условиями приемки, программу выпуска и другие требования.

Процесс проектирования начинается с синтеза структуры по ТЗ. Исходный вариант структуры генерируется, а затем оценивается с позиций условий работоспособности (например, обеспечение заданных параметров, качества изделия). Для каждого варианта структуры предусматривается оптимизация параметров, так как оценка должна выполняться при оптимальных или близких к оптимальным значениям параметрах. Если для некоторого варианта структуры технологического процесса, операции или перехода достигнуто обеспечение заданных параметров качества изделия, то процесс синтеза считается законченным. Результаты проектирования оформляются в виде необходимой технологической документации с формированием ТЗ на следующий уровень проектирования. Для каждого варианта структуры составляется модель технологического процесса или его элементов. При автоматизированном проектировании эта модель является математической, она должна быть адекватна объекту в отношении его основных свойств. Анализом модели проверяется выполнение условий работоспособности (например, получение максимальной производительности при обеспечении параметров качества изделия) и принятие решения. По результатам проверки производится параметрическая оптимизация.

Если условия работоспособности не выполняются, то управляемые параметры снова изменяют, и математическая модель анализируется при новых их значениях. В случае повторного невыполнения условий работоспособности переходят к генерации нового варианта структуры или к пересмотру ТЗ.

В целом функциональная структура принципиальной схемы процесса характеризуется последовательностью преобразований изготовляемого изделия из начального состояния на заготовительном этапе в состояния на промежуточных и заготовительных этапах. Это преобразование осуществляется по уровням. Процесс проектирования на каждом уровне представляет собой многовариантную процедуру. На основе одного проектного варианта уровня формируется множество более детальных вариантов -го уровня.

В результате проектирования на всех уровнях образуется дерево допустимых вариантов технологического процесса, отвечающих заданным техническим ограничениям (рис. 1). Вершинам дерева соответствуют операции синтеза проектных решений, а дугам - полученные варианты этих решений. Дуги дерева последнего уровня характеризуют проектные варианты заданной степени детализации. Для решения задач многоуровневой оптимизации на i -м уровне проектирования получают, следовательно, не единственный оптимальный вариант, а группу вариантов, близких к оптимальному. Среди этих параметров выбирают решение на -м уровне проектирования.

Рис. 1. Модель многоуровневого процесса проектирования с выбором наиболее рационального решения на последнем уровне: ТЗ - техническое задание; Сii - операции синтеза проектных решений; Rq_{k} - проектные варианты

При генерации структуры технологического процесса используются различные методы: проектирование на основе типизации и групповой технологии; преобразование процессов-аналогов; многоуровневый итерационный метод; аксиоматический метод и др. (рис. 2).

Рис. 2. Классификация методов автоматизированного проектирования технологических процессов

Проектирование конкретных технологических процессов путем параметрической настройки типового процесса включает в себя две группы проектных операций: поиск в технологическом банке данных требуемого типового процесса и расчет параметров каждой операции (определение норм времени, материальных и трудовых нормативов). Этот метод применяется для типовых изделий. Алгоритмы преобразования процесса-аналога не содержат в готовом виде логические условия выбора операций и переходов (рис. 7.2). Эти условия определяются в результате анализа изделия и ТП-аналога. После того как в технологическом банке данных найдены изделия и ТП-аналоги , проектирование заключается в том, чтобы на основе информационной модели конкретного изделия определить рациональную структуру и параметры процесса его изготовления:

(1)

где - операции преобразования процесса-аналога.

Преобразование осуществляется методами исключения и дополнения структурных элементов в процессы-аналоги на основе выявления различий между конкретными изделиями и изделиями-аналогами.

Метод исключения структурных элементов основан на том, что из графа , описывающего структуру процесса-аналога, исключаются некоторые пути или дуги , соответствующие операциям или переходам обработки отсутствующих у конкретного изделия поверхностей или поверхностей более высокой точности.

Структура конкретного процесса образуется в результате применения разности графов

(2)

где - множество промежуточных состояний, необходимых для изготовления конкретного изделия;

- множество технологических операций, необходимых для изготовления конкретного изделия.

В результате применения такой операции структура конкретного процесса получается более простой, чем аналога. Преобразование процесса-аналога методом исключения структурных элементов осуществляется установлением технологического подобия состояний изделия-аналога со структурой и параметрами конкретного изделия. Для этого в графе функциональной структуры технологического процесса-аналога выделяются висячие вершины, соответствующие конечным состояниям групп обрабатываемых поверхностей. Если , то операция включается в маршрут обработки конкретного изделия; в противном случае она исключается из маршрута-аналога.

Метод дополнения структурных элементов базируется на присоединении к графу структуры процесса-аналога множества дуг , соответствующих вновь вводимым операциям и переходам по обработке поверхностей конкретного изделия, которые отсутствуют в изделиях-аналогах или имеют более низкую точность. Структура конкретного процесса получается более сложной и образуется в результате операции объединения графов

(3)

где ;.

В ряде случаев возникают задачи проектирования, когда преобразование процессов-аналогов производится теми и другими методами

(4)

автоматизированный алгоритм декомпозиция

Преобразование процесса-аналога методом дополнения структурных элементов (операций, переходов) заключается в определении вида и количества этих элементов и рациональном их расположение при операций процесса-аналога.

2. Принцип многоуровневой декомпозиции

Одним из наиболее общих способов преодоления начальной неопределенности задачи технологического проектирования является многоуровневый итерационный метод. Сущность его раскрывается совокупностью принципов и утверждений, определяющих характер и структуру процессов проектирования.

Проектирование дискретных ТП и сложных объектов расчленяется на несколько взаимосвязанных уровней, характеризующихся последовательно возрастающей от уровня к уровню степенью детализации проектных решений.

Основу принципа многоуровневой декомпозиции составляют следующие утверждения:

Утверждение 1. Проектирование ТП изготовления изделий можно разделить на 4 уровня:

· принципиальная схема процесса;

· маршрутная технология;

· операционная технология;

· управляющие программы.

Первому уровню свойственны наибольшая степень абстракции и определение только принципиальных особенностей структуры и функции ТП. От уровня к уровню степень детализации проектных решений возрастает. На последнем уровне она доводится до инструкций и команд управления оборудованием.

Утверждение 2. Многоуровневый процесс проектирования развивается сверху вниз, т.е. от синтеза общих принципиальных моделей на первом уровне - к проектным решениям требуемой степени детализации на следующих уровнях. При этом решения, полученные на предыдущем -м уровне, используются в качестве дополнительных исходных данных для проектирования на -м уровне. Так, сведения о принципиальной схеме ТП, полученные на первом уровне, служат для синтеза маршрута на втором уровне. Разработка операционных технологий на третьем уровне производится на основе сведений о технологическом маршруте, а для синтеза управляющих программ применяются сведения об операционной технологии.

Утверждение 3. На всех уровнях, кроме последнего, ввиду недостаточной детализации проектных решений, критерии отбора вариантов носят обобщенный, эвристический характер. Они постепенно уточняются при переходе от уровня к уровню, достигая необходимой точности на последнем уровне проектирования

(5)

Так, на первом уровне невозможно формировать критерий, позволяющий выбрать один оптимальный вариант принципиальной схемы ТП. Причина в том, что представление о проектируемом процессе носит сугубо принципиальный характер и на следующих уровнях, как правило, уточняется.

Утверждение 4. На начальном и промежуточных уровнях проектирования, в связи с эвристическим характером критериев, из множества синтезированных вариантов отбирается не одно, а несколько (два-три) наиболее рациональных решений. Окончательный вариант ТП, соответствующий экстремальным значениям точного критерия, определяется только на последнем уровне.

Утверждение 5. Проектирование на каждом уровне расчленяется на совокупность проектных операций, итерационно взаимосвязанных между собой и осуществляющих поиск решений-аналогов П, Н-преобразование процессов-аналогов, синтез С различных вариантов технологии, имитационное моделирование М процесса обработки, анализ А и оценку результатов моделирования Е, оптимизацию и отбор наиболее рациональных вариантов (рис. 3).

Рис. 3. Итерационный алгоритм процесса проектирования

Процесс проектирования начинается с операции поиска изделий и ТП-аналогов в массиве технологического банка данных. Если такие процессы найдены, то логическим блоком управление передается операции преобразования процесса-аналога , если же не найдены - операции синтеза . В этом блоке централизованным способом синтезируется некоторое количество вариантов ТП, удовлетворяющих заданным техническим требованиям и ограничениям. Операция имитационного моделирования позволяет, например, прогнозировать характер обработки поверхности, возникающие при этом погрешности и значения технико-экономических параметров. С помощью операции "анализ" устанавливаются причины возникновения тех или иных отклонений и заниженных значений отдельных локальных критериев. Анализ проводится по всем технико-экономическим показателям.

Операцией "оценка" проверяется степень выполнения заданных технических требований. На основе выявленных локальных критериев определяется интегральный критерий качества того или иного варианта, устанавливается необходимость получения тех или иных его показателей. Операцией "оптимизация" производится выбор направления улучшения проектного варианта в соответствии с моделью, характеризующей взаимосвязь локальных критериев. В результате проведенных преобразований исходного варианта возникает новый улучшенный вариант. Сведения о нем вновь поступают в блоки моделирования, анализа, оценки и оптимизации. Совокупность указанных операций образует итерационный цикл процесса проектирования.

За несколько итераций качество исходного варианта улучшается. Процесс заканчивается, когда вариант по всем основным показателям удовлетворяет заданным требованиям и дальнейшее его совершенствование не приводит к существенному улучшению интегрального критерия. С помощью блока Р8 осуществляется циклическое повторение операций моделирования, оценки, анализа и оптимизации для всех вариантов, полученных в операциях поиска и синтеза.

В результате для операции "выбор" подготавливается множество целесообразных вариантов, из которых затем отбираются наиболее рациональные.

В приведенной модели совокупность проектных операций и управляющих блоков определяет два метода проектирования: преобразование объектов аналога (блоки 1, 2, 3, 5... 10) и синтеза (блоки 4. ..10).

Различаются методы операциями генерирования проектных вариантов. В первом методе это поиск объектов-аналогов и их преобразование, а во втором - целенаправленный синтез проектных решений.

Остальные операции итерационного цикла и выбора вариантов являются общими для обоих методов проектирования. На рис. 7.4 приведена блок-схема изложенного алгоритма.

Как показывает опыт разработки и внедрения, указанные методы широко применяются в САПР TП. По своим возможностям они не противоречат, а дополняют друг друга.

Рис. 4. Итерационный алгоритм процесса проектирования на каждом уровне

Программы, построенные на основе методов типизации, характеризуются меньшими (на 30-40%) объемом и затратами машинного времени по сравнению с многоуровневым итерационным методом. В связи с этим автоматизацию проектирования ТП на типовых изделиях целесообразно осуществлять на основе методов типизации, а на остальные изделия - преобразованием процессов-аналогов и многоуровневым итерационным методом.

Итак, весь ТП изготовления прибора рассматривается как последовательность взаимосвязанных технологических операций. Например, при изготовлении p - n - р транзистора с эпитаксиальной базой основными операциями являются такие как диффузия и окисление, формирование базы и эмиттера. Каждая операция характеризуется совокупностью входных и выходных параметров, которые, в свою очередь, являются исходными данными для расчетов на ЭВМ по выбранным математическим моделям. Так, в блоке диффузии и окисления имеется пульт управления процессом диффузии, с помощью которого устанавливают параметры процесса обработки пластин, выбирают режим печи, длительность технологического цикла, а также корректируют характеристики процесса в случае их отклонения от заданных величин. На выходе из печи специальный прибор измеряет параметры пластин, данные передаются на пульт управления, который сравнивает измеренные параметры с заданными и регулирует соответствующим образом параметры процесса диффузии, основным из которых является, например, толщина окисла .

3. Укрупнённая схема технологического процесса

Назовем пространства, образованные измеряемыми на каждой контрольной операции параметрами, пространствами состояний (рис. 5).

Рис. 5. Укрупненная блок-схема технологического процесса

Значения конструктивных параметров готового прибора , удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к проектируемому прибору, называют целевыми значениями, а их координаты обозначим . Тогда задачу проектирования алгоритмов управления ТП можно сформулировать как задачу траекторного управления некоторым объектом. Для исходных состояний -го объекта (партии, пластины), определяемых на контрольной операции , и состояний, измеряемых на промежуточном контроле, требуется подобрать управления , т.е. режимы проведения ТП, так, чтобы выходные характеристики минимально отличались от целевых (рис. 6).

Рис. 6. Траектории как характеристики различных способов изготовления изделия.

4. Структура принципиальной схемы

В целом, функциональная структура принципиальной схемы процесса характеризуется последовательностью преобразований.

Алгоритм формирования принципиальной схемы ТП представлен на рис. 7.

Оператор 1 формирует исходные данные, необходимые для функционирования алгоритма (при этом считается, что модели, для расчёта управляющих воздействий, обеспечивающих требуемые выходные параметры на каждой технологической операции, заложены в памяти

ЭВМ в виде соответствующих программных модулей). Вначале - это параметры исходного сырья и условия по ТЗ, которым должно удовлетворять готовое изделие.

Оператор 2 посылает эти исходные данные в рабочий массив М, где будут храниться параметры как конечного, так и промежуточных состояний проектируемого (или изготовляемого) прибора.

Оператор 3 выделяет очередное состояние прибора (фиксируется очередное значение счетчика).

Оператор 4 включает в себя проведение основных расчетов по выбранной модели для той или иной операции. В результате этих расчётов выбираются управляющие воздействия, обеспечивающие необходимые выходные параметра. Кроме того, в этом операторе определяется номер этапа, в котором получены результаты.

Оператор 5 содержит, как правило, оценку погрешностей полученных результатов. Она может составляться из погрешности используемых моделей и ошибок за счёт неучёта различных неконтролируемых возмущений.

Рис. 7. Алгоритм формирования принципиальной схемы ТП

Логический оператор 6 проверяет условие окончания процесса построения графа . Если номер этапа соответствующего ТП меньше или равен максимально заданному номеру, то дальнейшая работа алгоритма заканчивается. Следовательно, при выполнении оператора 6 управление передается выходному оператору 8. В противном случае посредством оператора 7 в конец рабочего массива И засылаются параметры промежуточного состояния для продолжения работы алгоритма на основе новых исходных данных. Управление от блока 7 передаётся оператору 3. В результате на выходе алгоритма будет сформирован граф допустимых вариантов ТП.

Количество вариантов можно резко сократить, проводя предварительный технико-экономический анализ методов исследования и математических моделей, используемых в процессе проектирования ТП. Это даст возможность значительно упростить алгоритмы формирования маршрута ТП в целом, так как отпадает необходимость в анализе большого числа вариантов ТП, основанных на малоэффективных маршрутах изготовления приборов.

Итак, мы рассмотрели первый уровень многоуровневого метода автоматизированного проектирования. На этом уровне генерируется множество вариантов. Из них по критерию эффективности выбирается один или несколько для детализации и оценки на следующем уровне - проектировании технологических маршрутов

Контрольные вопросы

1. Что включается в техническое задание?

2. Что входит в синтез структуры по ТЗ?

3. Что включает анализ технического задания (ТЗ) на проектирование?

4. Как происходит анализ модели?

5. Как производится параметрическая оптимизация?

6. Дайте характеристику функциональной структуры принципиальной схемы процесса.

7. Как осуществляется преобразование состояний по уровням?

8. Приведите классификацию методов автоматизированного проектирования технологических процессов.

9. На чем основан метод исключения структурных элементов?

10. В чем заключается преобразование процесса-аналога методом дополнения структурных элементов (операций, переходов)?

11. Опишите итерационный алгоритм схемы взаимодействия проектных операций.

12. Как выполняется операция "анализ"?

13. Как производится операция "оценка"?

14. К каким результатам приводит операция "оптимизация"?

15. Как осуществляется операция "выбор"?

16. Поясните работу итерационного алгоритма процесса проектирования на каждом уровне.

17. Поясните укрупненную блок-схему технологического процесса.

18. Поясните работу алгоритма формирования принципиальной схемы ТП.

Размещено на Allbest.ru