Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные направления автоматизации технологического проектирования
1.1. Особенности технологического проектирования 15
1.2. Функции ТПП, задачи и методы их решения 25
1.3. Основные направления автоматизации технологического проектирования 37
1.4. Цель и задачи исследования 48
Глава 2. Структурный анализ процессов технологического проектирования
2.1. Анализ состава и взаимосвязи задач технологического проектирования 53
2.2. Определение состава и взаимосвязи элементов и параметров задач 67
2.3. Анализ методов решения задач 80
2.4. Построение и исследование модели системы технологического проектирования 89
Глава 3. Методы моделирования для автоматизации технологического проектирования
3.1. Особенности математического моделирования при автоматизации технологического проектирования 106
3.2. Формы представления данных и знаний для решения задач технологического проектирования 121
3. 3. Классификация типовых компонентов и средств обеспечения систем технологического проектирования.. 132
3.4. Методы и организационные схемы автоматизации технологического проектирования 151
Глава 4. Методы и инструментальные средства создания автоматизированных подсистем
4.1. Назначение и основные требования к инструментальным средствам синтеза подсистем и компонентов 163
4.2. Классификация инструментальных средств создания подсистем и компонентов 169
4.3. Инструментальные системы математического моделирования 175
4.4. Инструментальные средства формирования языков технологического проектирования 196
4.5. Программно-методические средства обслуживания баз данных конструкторско-технологического назначения. 213
4.6. Рекомендации по выбору общесистемного программного обеспечения и технических средств 229
Глава 5. Автоматизация технологического проектирования гибких производственных систем
5.1. Особенности и организационная схема технологического проектирования 240
5. 2. Группирование и функционально-стоимостной анализ 247
5.3. Проектирование технологических процессов и технологической системы 265
5.4. Отработка функционирования объектов проектирования.. 276
5. 5. Комплексное автоматизированное производство -эффективная форма организации проектирования и производства изделия 281
Глава 6. Программно-методические комплексы и подсистемы, рекомендации по их использованию и адаптации к условиям гибкого производства
6.1. Информационная подсистема 290
6.2. Типовая подсистема проектирования технологических процессов 298
6.3. Рекомендации по эксплуатации подсистем и их адаптации к условиям производства 306
Заключение и общие выводы 312
Литература 319
Приложения
- Основные направления автоматизации технологического проектирования
- Определение состава и взаимосвязи элементов и параметров задач
- Формы представления данных и знаний для решения задач технологического проектирования
- Классификация инструментальных средств создания подсистем и компонентов
Основные направления автоматизации технологического проектирования
Цели и задачи создания и развития систем автоматизации технологического проектирования органически взаимосвязаны, с задачами и перспективами развития промышленного производства. Главной задачей автоматизации технологического проектирования и производства является повышение качества изделий и эффектив ности производства при одновременном сокращении сроков и затрат на весь комплекс работ.
Комплексным показателем качества является конкурентоспособность выпускаемой продукции в постоянной борьбе за рынки сбыта, лидерство на которых обеспечивает создание комплексного интегрированного производства и создание новых высокопроизводительных рабочих мест [68]. Спад интереса к средствам автоматизации проектирования и производства, наблюдаемый в настоящее время в оборонных отраслях промышленности, может привести к существенному отставанию страны от лидеров научно-технического прогресса. Выдержать конкурентную борьбу могут лишь те предприятия, которые применяют современные информационные технологии для проектирования изделий, технологической подготовки и управления производством [170,176].
Особенно бурным был рост исследований проблем автоматизированного проектирования во второй половине восьмидесятых годов, когда передовые фирмы практически доказали экономическую целесообразность применения САПР. Дальнейшее развитие получили средства вычислительной и организационной техники, обеспечившие диалоговый режим работы и применение методов машинной графики [6,50, 52,54, 123, 148, 189, 191,200,202,204] . В группе оборонных отраслей машиностроения в 1985-86 г.г. было начато 149 и завершено 195 (46 начато до 1985 г.) научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на разработку систем автоматизированного проектирования [143]. При этом основное внимание уделялось комплексному "сквозному" проектированию, проектированию технологических процессов и технологического оснащения для различных изделий и видов работ, разра ботке программного и информационного обеспечения, а также автоматизации технологической подготовки производства в целом. Свыше 80% научно-исследовательских работ, выполняемых по перечисленным направлениям, затрагивали задачи технологического проектирования, что подтверждает его актуальность и большое значение для развития народного хозяйства.
Анализ публикаций (согласно библиографии) также показывает, что направленность теоретических исследований на автоматизацию инженерного труда нацелена на технологическую подготовку производства, причем в последние годы главными проблемами становится комплексность решения задач на различных стадиях обеспечения жизненного цикла изделий, сдерживаемая значительной трудоемкостью создания средств обеспечения систем, сложностью организации с этой целью взаимосвязей и адаптации пакетов прикладных программ, систем и подсистем.
Переход от работы в разрушающейся командно-административной системе к работе в рыночных условиях требует создания нового механизма отношений инвестиционных, производственных и учебных организаций. Условием эффективности функционирования становится экономическая целесообразность. Функциональная схема обеспечения жизненного цикла изделий в новых организационно-экономических условиях представлена на рис. 1.6.
В период перехода к новым условиям работы особенно остро ощущается потребность в эффективных методах моделирования, современных средствах проектирования и специально обученных кадрах, готовых к выполнению изменяющихся функций. Изменение отношений между партнерами в сложном процессе жизненного цикла изделий и их неподготовленность к работе в рыночных условиях существенно замедлило их деятельность, что привело к резкому спаду производства. Образование совместных предприятий, в свою очередь, приводит к объединению различных технологий проектирования и производства изделий и требует создания интерфейсных средств.
В условиях экономического кризиса и спада промышленного производства, которые в свою очередь привели к сокращению затрат на создание и развитие систем автоматизированного проектирования, единственно возможной альтернативой является снижение затрат на создание систем за счет применения инструментальных средств для формирования основных средств обеспечения.
К работам по разработке и эксплуатации автоматизированных систем подключается большое количество специалистов различного профиля. За человеком навсегда останется глобальная постановка задачи и окончательная оценка проектного решения [15,18,21, 44,169,172]. Однако, для постановки задач и оценки решений необходимо иметь информацию и уметь ее анализировать. Поэтому основными функциями автоматизированных систем являются: накопление и ведение информации (банки данных и базы знаний) и анализ информации с целью принятия решений.
В институте кибернетики АН ЭССР в середине восьмидесятых годов предложен интересный подход к организации и реализации программного обеспечения САПР с использованием инвариантного ядра (системы ПРИЗ и MEMO) и специальных программных средств, позволяющий значительно (в 2-5 раз) повысить производительность труда разработчиков программного обеспечения для автоматизации конструкторского и технологического проектирования.
Определение состава и взаимосвязи элементов и параметров задач
Детальные разработки по АСТПП механической обработки широко известны [40,53,82,193,194,196 и др.]. По результатам исследований сборочных работ в настоящее время решены отдельные задачи в следующих направлениях обеспечения функций технологической подготовки производства:[7,74,104,166] -техпроцессы, [132] - обеспечение технологичности, в решении которых и автор диссертации принимал непосредственное участие. Сравнительно небольшое количество типовых успешно решаемых задач автоматизированного технологического проектирования сборочных работ в авиастроении объясняется прежде всего многообразием изделий и средств технологического оснащения, сложностью процесса моделирования пространственных связей, информационной насыщенностью процесса проектирования и другими усложняющими формализацию особенностями.
Процесс создания и освоения производства изделия может быть успешным лишь тогда, когда технолог работает вместе с конструктором, выступает как равноправный его партнер, а конструктор работает вместе с технологом, учитывая технологические возможности производства и тем самым обеспечивая приемлемый уровень технологичности уже на этапе конструирования изделия.
Проблема комплексности решения задач создания изделия на всех этапах различных стадий жизненного цикла (конструирование, технологическая подготовка производства, производство, эксплуатация, ремонт) существенно зависит от правильности структурирования описаний объектов моделирования. Это значит, что при выделении элементов и параметров задач на каждой из стадий должны учитываться "интересы" других стадий. Только тогда возможно обеспечение принципов развития и информационного единства различных подсистем и их компонентов.
Анализ состава проектных работ для обеспечения различных стадий жизненного цикла изделий позволил выделить в качестве первоочередных задач (решение которых можно автоматизировать при создании и применении разрабатываемого комплекса инструментальных средств) задачи конструктивно-технологического анализа машиностроительных узлов и деталей и проектирования технологических процессов и средств технологического оснащения.
Элементами (компонентами) задач технологического проектирования являются структурные элементы производственной системы, их свойства и параметры. В состав производственной системы входят: материалы, полуфабрикаты, заготовки, изделия и их структурные элементы; технологические процессы, оборудование, инструмент и приспособления; исполнители, работающие в информационном и материальном слоях; производственные площади и коммуникации. Структура производственной системы, разрабатываемая для описания процессов технологической подготовки производства сборочных работ и изготовления деталей, представлена на рис. 2.5.
Проектирование технологического процесса осуществляется, как правило, на основе математического моделирования процесса производства в несколько этапов, начиная с решения наиболее крупных задач, связанных с основными физическими и технико-экономическими характеристиками процесса. Для каждого из этапов проектирования применяется соответствующая степень детализации описания объектов моделирования, определяемая требу емой подробностью проектной документации и уровнем абстрагирования.
При проектировании технологического процесса механической обработки деталей должно обеспечиваться требуемое качество деталей, максимальная производительность труда, сокращение трудовых и материальных затрат на реализацию процесса, уменьшение вредных воздействий на участвующих в работе людей и окружающую среду. Следует особо отметить, что процесс механической обработки детали резанием нельзя рассматривать в отрыве от прочих операций - термической обработки, нанесения защитных покрытий и других. Поэтому изготовление детали рассматривается как иерархическая система процессов, различающихся уровнем детализации их описания. Самым укрупненным является описание состава и последовательности выполнения этапов обработки - заготовительных, черновой обработки, термообработки и т.п. Этот уровень описания называют принципиальной схемой технологического процесса или маршрута обработки. Затем следуют маршрутное, марш-рутно-операционное и операционное описания составных частей процесса изготовления детали.
Раскрытие сущности сборочных процессов и путей повышения их эффективности в отношении качества, производительности и себестоимости требует решения широкого перечня задач по установлению закономерностей процессов проектирования и производства, изменения конструктивно-технологических свойств деталей и узлов в процессе сборки, а также учета различных характеристик технологического оборудования и его рабочих органов к изменению требований экономических и организационных связей. Структурные элементы изделий и основные группы конструктивно-техно логических свойств структурных элементов изделий представлены на рис. 2.6. Структурные элементы технологической системы с учетом необходимой детализации описания при решении задач выявления закономерностей производства и технологического проектирования представлены на рис. 2.7.
Особенно сложными становятся эти задачи при дальнейшей автоматизации сборочных работ на этапе перехода к безбумажному проектированию и безлюдному производству, обеспечиваемому с помощью роботизированных комплексов. Детальность проектирования при этом многократно повышается, так как отсутствие интеллектуального исполнителя приходится компенсировать подробным пространственным анализом на уровне движений и перемещений. Уровень автоматизации и гибкость роботизированных сборочных систем определяется применяемыми роботами, их управлением, а также связанными с ними устройствами подачи и отвода деталей и сборочных единиц, системой захватов для манипулирования деталями и инструментом, системой сборочных инструментов и приспособлений.
Формы представления данных и знаний для решения задач технологического проектирования
Выбор оптимального способа представления знаний об объекте моделирования во многом зависит от характера и сложности решаемых задач. Исследование принципов организации человеческой памяти и используемых человеком методов вывода позволили в качестве универсальных моделей представления знаний сформировать модели, основанные на использовании правил продукции, семантических сетей и фреймов. Исследование теоретических методов пред ставлення знаний привело к созданию моделей на основе логики предикатов первого порядка. Каждая из моделей представляется как набор из четырех множеств: (контуров) элементов моделей; R , R , R - множества отношений между элементами, свойствами (контурами) и параметрами. Структура процесса проектирования, включающая модель исходного объекта S(A) ( 3.5 ), модель порождающей среды S(P) (3.6 ), модель объекта проектирования S(T) ( 3.7 ) с учетом взаимодействия моделей представлена на рис. 3. 5. Информационные модели исходных объектов S(A), порождающей среды S(P) и объекта проектирования S(T) должны содержать полный состав информации необходимой и достаточной для информационной определенности предметной области. Информационные модели различных объектов должны иметь одинаковую структуру, что зна чительно облегчает процесс структурно- параметрического моделирования и проектирования объектов. Структура информационных моделей технологического проектирования, определяемая составом компонентов модели, представлена на рис. 3.6. Анализ структуры информационной модели объектов структурно-параметрического моделирования выполним на примере информационной модели порождающей среды.
Информационная модель порождающей среды ( 3.6 ) представляется математической структурой S(P) и описывается множеством: где: - Р - множество элементов, для которого каждый из элементов р. - представляется набором атрибутов: - наименование (функциональное назначение); - код (признак формы); - тип (структурное свойство); - признак заполненности формы материалом. - F - множество свойств (контуров).каждый из которых fр - задается набором атрибутов: - наименование (функциональное назначение); - значение из множества ( 1, 0 }. Р - N - множество параметров, для каждого из которых р Пр - задается набором атрибутов: - идентификатор; - значения из ряда количественных значений; - признак определенности значения; - тип параметра ( число, размер, лингвистическая переменная или литерал, посадка и т. п. ). - R - множество отношений, характеризуемое большим разнооб разием. Отношения задаются компонентами, состоящими в отношении и термами, характеризующими тип отношения. Выделим некоторые особенности компонентов информационных математических моделей S(A) ( 3.5 ), S(P) ( 3.6 ), S(T) ( 3.7): Элемент A, aj,; Р,pi; Т ty: - в процессе моделирования всегда существует, четко определен; - может входить или не входить в анализируемые структуры; - представляется теоретико-множественной величиной; - в дополнение к первой особенности; существует при любых значениях свойств параметров. Свойство (контур) F, fa; F, fp; F, Ц: - имеет зависимый характер; его значение может быть определено только при сопоставлении с элементом; - представляется логической величиной (двузначная (четкая) логика или нечеткая логика); - принимает значение из конечного ряда методом указания состояния (есть v нет; истина v ложь; 1 v 0)
Классификация инструментальных средств создания подсистем и компонентов
Концепция применения инструментальных систем для создания САПР технологического назначения ориентирована на формирование подсистем методом объединения автономно создаваемых на единой методологической платформе основных средств обеспечения и их компонентов непрограммирующими специалистами предметной области. Разработка, адаптация и сопровождение постоянно усложняющихся основных средств обеспечения автоматизированных систем в настоящее время эффективна только при использовании современных инструментальных средств. Схема классификации инструментальных средств создания систем автоматизации технологической подготовки производства приведена на рис. 4.1. Для решения задач, реализующих основные функции проектирования при техноло гической подготовке производства были разработаны с применением инструментальных систем компоненты математического, лингвистического и информационного обеспечения инвариантных и функциональных подсистем АСТПП, что является экспериментальным подтверждением правомочности и эффективности применения предложенной концепции.
Разрабатываемые инструментальные средства в соответствии с предлагаемой концепцией автоматизации технологического проектирования создаются на единой методологической платформе и организационно объединяются в единый комплекс инструментальных средств МОСКИТ (Моделирование Объемных Структур Конструкций И Технологий). Инструментальные средства оформляются в виде модифицируемых программно-методических комплексов (ПМК), адаптируемых к общесистемному программному и техническому обеспечению автоматизированных систем технологического назначения. Для обозначения ПМК используется трехсимвольная латинская аббревиатура в целях обеспечения однотипности в наименованиях и идентификаторах, применяемых для программно-технического использования инструментальных средств.
Комплекс инструментальных средств МОСКИТ объединяет объектно-ориентированные (функциональные) инструментальные системы структурного и параметрического моделирования: - SPM - структурно-параметрического проектирования по мо делям общего вида; - TPR - структурно-параметрического проектирования по мо делям типовых проектных решений; и включаемые в различных конфигурациях в состав SPM и TPR инвариантные инструментальные средства: - BAZ - создания баз данных САПР конструкторского и тех нологического назначения; - MIZ - формирования информационных моделей исходных объ ектов S(A); - ZAP - заполнения баз данных моделей объектов проектиро вания S(T); - KAR - формирования текстовой конструкторской и техноло гической документации; - SPB - обслуживания структурно-параметрических баз; - INT - трехмерной геометрической интерпретации объектов структурно-параметрического моделирования; - GIN - двухмерной геометрической интерпретации и предс тавления результатов проектирования; - D0C - документирования методического обеспечения систем автоматизированного проектирования. В результате опытной эксплуатации комплекса инструментальных средств и составляющих его компонентов на предприятиях машиностроения и в инженерных высших учебных заведениях установлена возможность успешного создания основных средств обеспечения САПР конструкторского и технологического назначения силами непрограммирующих специалистов, работающих в конкретной предметной области. Процедурно-алгоритмическая среда предоставляет достаточные возможности для объединения средств обеспечения в подсистемы, создаваемые по принципам экспертных систем и поддерживающие модифицируемые базы данных и знаний имитационных моделей различных объектов проектирования. Значительная часть изделий и процессов изготовления изделий может адекватно моделироваться по дискретным имитационным моделям. При этом имита ционное моделирование с машинной графикой применяется как метод решения задач конструирования и технологической подготовки производства и как метод, позволяющий выполнить проверку и отработку процесса изготовления изделий. Организационная схема применения инструментальных систем для создания и развития подсистем и средств обеспечения АСТПП на основе математического моделирования по дискретным имитационным моделям представлена на рис. 4.2.
Инструментальные системы математического моделирования подразделяются по методам абстрагирования на системы: структурного, параметрического, комплексного (структурно-параметрического) и геометрического моделирования. Комплексные инструментальные системы структурно-параметрического моделирования поддерживают модели общего вида (ПМК SPM) и модели типовых проектных решений (ПМК TPR). Геометрическое моделирование применяемое также и для интерпретации информационных моделей S(A), S(P), S(T), создаваемых и изменяемых при структурно-параметрическом моделировании, обеспечивает представление объектов в двухмерном пространстве (ПМК GIN) и в трехмерном пространстве (ПМК SPB, ПМК INT).
Лингвистическое представление моделей различных объектов на уровне элементов различных по назначению языков проектирования также поддерживается инвариантными инструментальными средствами. Для семантического обеспечения входных языков проектирования понятиями предметной области предназначен ПМК MIZ, а для разработки различных форм представления результатов проектирования применяется ПМК KAR.
