Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Анализ методики проектирования станочных приспособлений... 8
1.2. Расчеты в проектируемом приспособлении 16
1.3. Автоматизированное проектирование технологической оснастки 25
1.4. Повышение эффективности автоматизированного проектирования станочных приспособлений 29
Выводы по главе 1 32
Глава 2. Структура системы диалогового проектирования станочных приспособлений 33
2.1. Структура программного комплекса 33
2.2. Состав и структура обмена данных между модулями системы проектирования станочных приспособлений 39
2.3. Классификация параметров проектируемых объектов 43
2.4. Классификация проектных процедур в системе 47
2.5. Проектирование станочных приспособлений с использованием метода логического моделирования 50
2.6. Обоснование выбора компоновки приспособления с использованием многовариантного анализа и теории графов 53
2.7. Выявление и анализ силовых факторов, действующих в проектируемом станочном приспособлении 62
Выводы по главе 2 66
Глава 3. Разработка системы диалогового проектирования станочных приспособлений 67
3.1. Каноническая модель схемы приспособления 67
3.2. Использование математического аппарата теории нечетких множеств в подсистеме анализа конструкций приспособлений 77
3.3 Реализация алгоритма, использующего аппарат нечеткой логики в проектировании станочных приспособлений 87
Выводы по главе 3 98
Глава 4. Внедрение системы автоматизированного проектирования станочных приспособлений и оценка ее эффективности 99
4.1. Организация диалога в системе автоматизированного проектирования станочных приспособлений 99
4.2 Автоматизированное проектирование приспособлений 106
4.3. Оценка вариантов диалогов системы проектирования станочных приспособлений по неметризуемым факторам 111
4.4. Обоснование экономической эффективности применения систе мы автоматизированного проектирования приспособлений 116
Выводы по главе 4 120
Общие выводы 121
Библиографический список 123
Приложение 134
- Повышение эффективности автоматизированного проектирования станочных приспособлений
- Состав и структура обмена данных между модулями системы проектирования станочных приспособлений
- Использование математического аппарата теории нечетких множеств в подсистеме анализа конструкций приспособлений
- Оценка вариантов диалогов системы проектирования станочных приспособлений по неметризуемым факторам
Введение к работе
Актуальность работы. Современное машиностроительное производство отличают многономенклатурность изготавливаемых деталей, быстрая смена выпускаемых изделий по запросу рынка, наличие современного технологически гибкого программного оборудования, обладающего высокой производительностью.
Важным этапом технологической подготовки машиностроительного производства является разработка необходимых станочных приспособлений и создание для них требуемой конструкторско-технологической документации. Исследования показывают, что затраты на технологическую подготовку производства в ряде случаев достигают 70% от стоимости конечного продукта. Таким образом, совершенствование технологической подготовки производства путем создания системы автоматизированного проектирования технологической оснастки является важной, актуальной задачей, решение которой позволяет сократить сроки технологической подготовки, уменьшить производственные затраты на технологическую подготовку, повысить качество и снизить стоимость выпускаемых изделий.
В условиях многономенклатурного производства широко применяют станочные приспособления. Эффективное использование этих приспособлений возможно при наличии специальной информационной поддержки на этапе технологической подготовки производства. Такая поддержка позволяет не только спроектировать нужные станочные приспособления, но также позволяет выбрать из базы данных имеющиеся готовые приспособления, что значительно экономит трудовые ресурсы и материальные затраты, а в конечном итоге приводит к сокращению времени подготовки производства.
Рабочая гипотеза. Сокращение времени проектирования станочных приспособлений с учетом эффективного использования технологической оснастки возможно при наличии системы, рационально учитывающей все необходимые геометрические, динамические, технологические связи при про изводстве изделия, а также наиболее значимые связи в самом технологическом комплексе, занятом производством продукции.
Для достижения поставленной цели автором были решены следующие задачи:
- определено влияние себестоимости технологической оснастки и затрат на её разработку и конечную стоимость изделия в условиях многономенклатурного производства;
- определены связи между модулями САПР станочных приспособлений, позволившие сократить их количество, за счет совместного использования информационных баз данных;
- определены роль и место модуля искусственного интеллекта в подсистеме САПР СП;
- получена математическая модель модуля искусственного интеллекта на основе нечеткой логики, позволившая оценить выбор оптимальной компоновки приспособления;
- дана оценка экономической эффективности использования САПР станочных приспособлений.
Научную новизну работы составляет модель подсистемы технологической подготовки производства, решающая задачи автоматизированного проектирования станочных приспособлений, с оценкой сложности компоновки приспособлений, их стоимости и точности изготавливаемых деталей. Составляющими научной новизны являются:
- методика проектирования станочных приспособлений с использованием автоматической генерации компоновок приспособлений и их деталей;
- алгоритм автоматизированного проектирования станочных приспособлений, учитывающий влияние силового замыкания, упругих перемещений и точность элементов приспособлений на точность изготавливаемых деталей;
- методика проектирования компоновки станочных приспособлений, учитывающая соотношение параметров цены и сложности создаваемых приспособлений.
Практическую значимость работы составляет модель подсистемы автоматизированного проектирования станочных приспособлений, как составная часть технологической подготовки производства, обеспечивающая диалоговое проектирование технологической оснастки с учетом требований точности изготавливаемых деталей и возможности генерации компоновок приспособлений и их деталей.
Результаты работы нашли внедрение на машиностроительных предприятиях в ФГУП ММПП «САЛЮТ», в ОАО «СКИФ-М» и других в виде программного комплекса, применяемого для проектирования станочных приспособлений, а также в учебном процессе ВУЗов - в МГТУ «СТАНКИН», в МГТУ, в Московском горном университете.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных, общероссийских и региональных научно-технических конференциях в МГТУ «СТАНКИН», в Московском Авиационном Университете МАИ, в Московском горном университете, БГТУ им. В.Г. Шухова.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 1 работа в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
1. Астахов, В.Г. Совершенствование технологической подготовки производства при автоматизированном проектировании станочных приспособлений с учетом баз данных стандартных деталей / В.Г. Астахов // Технология машиностроения. - 2009. - № 3. - С. 46-47.
2. Тимирязев, В.А. Информационные связи при проектировании приспособлений на основе классификатора деталей и прототипов оснастки / В.А. Тимирязев, В.Г. Астахов, П.Ф. Бойко // Труды 5-ой международной научной конференции: «Авиация и Космонавтика». - Москва: МАИ, 2006. -С. 27-28.
3. Тимирязев, В.А. Автоматизированное проектирование станочных приспособлений в диалоге с ЭВМ / В.А. Тимирязев, В.Г. Астахов, П.Ф. Бойко // Труды 5-ой международной научной конференции: «Авиация и Космонавтика». - Москва: МАИ, 2006. - С. 28-29.
4. Тимирязев, В.А. Система автоматизированного проектирования станочных приспособлений / В.А. Тимирязев, В.Г. Астахов // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии / БГТУ - Белгород, 2007. - Ч. 9. - С. 237-240.
5. Тимирязев, В.А. Организация диалога САПР станочных приспособлений / В.А. Тимирязев, В.Г. Астахов // Вестник ТГТУ. — 2007. — № 4. -С. 986-990.
6. Тимирязев, В.А. Расчеты точности при автоматизированном проектировании станочных приспособлений / В.А. Тимирязев, О.В. Хазанова, В.Г. Астахов // Сборник научных трудов «Производство. Технология. Экология». - Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2007. -Т. 2, № 10. - С. 373-376.
7. Астахов, В.Г. Проектирование групповых приспособлений с использованием САПР СП / В.Г. Астахов // Сборник монографий «Производство. Технология. Экология». - Москва: МГТУ «СТАНКИН», 2008. - Т. 2, № 11. -С. 5-7.
Повышение эффективности автоматизированного проектирования станочных приспособлений
На основании п. 1.1... 1.3 работы можно сделать вывод о том, что в настоящее время вопросы автоматизированного проектирования станочных приспособлений достаточно исследованы и теоретическая база позволяет проектировать совершенную станочную оснастку, но это не совсем верно. Так большинство работ по основам САПР написаны еще в 70-80 гг. [72,78] при слабой аппаратной базе и некоторые вопросы в них просто не подлежали рассмотрению ввиду невозможности их экспериментальной проверки. Это, главным образом, относится к использованию модулей конечно-элементного анализа при выполнении расчетов на жесткость приспособления. Решение задач по использованию этих модулей связано с определением структурных связей в подсистеме автоматизированного проектирования приспособлений, а также формата обмена данными между модулями приложения. Последнее глубоко не рассматривается ни в одной из указанных в настоящей главе работ.
Вопросам выбора компоновки схем приспособлений посвящены работы А.Г. Раковича [63], В.И. Аверченкова [7], методика выбора компоновок в этих работах заключается в получении новых схем с использованием операций объединения и пересечения над графами, описывающими типовые ком-, поновки, и графами, описывающими исходные данные. Для полученной структуры в виде графа, в пределах принятых диапазонов значений для основных параметров элементов приспособлений строится, ряд соответствующий одному или совокупности нескольких рядов предпочтительных чисел. При этом учитываются такие факторы, как точность выполнения размеров, диапазон значений главного параметра, жесткость и масса детали и т.д. Метод компоновки на изначально определенной структуре объекта и представляет собой набор процедур определения состава и количества конструктивных элементов приспособления. Множество вариантов компоновочных решений, из которых выбирается нужное решение, представляется в виде списков или таблиц и реализуется в большинстве систем в виде баз данных. Это множество может быть представлено также с помощью обобщенной компоновки, включающей в себя все элементы компоновок. Задача определения компоновки сводится при этом в отсечении ненужных элементов. Наиболее общей формой представления множества вариантов компоновок является граф и, соответственно, матрицы, основу большинства методов компоновочного проектирования составляют алгоритмы математического программирования, комбинаторные алгоритмы, алгоритмы теории графов, а также эвристические алгоритмы и алгоритмы полного перебора. Последнее, конечно, позволяет найти вариант схемы станочного приспособления с идеальным соотношением «цена — качество», но требует значительных материальных затрат на приобретение мощного аппаратного обеспечения, позволяющего реализовать алгоритм полного перебора.
К сожалению, в работах по машиностроительным САПР не рассматриваются вопросы использования современных методов анализа с использованием нечеткой логики, нейронных сетей и т.п. В то же время, учитывая высокую стоимость подготовки производства, особенно при частой, смене номенклатуры выпускаемых деталей, повышение эффективности проектирования станочных приспособлений является необходимой составляющей совершенствования производственного процесса. Эффективность проектирования имеет два аспекта: первый — разработка приспособлений, обеспечивающих повышенную точность и качество обрабатываемых в нем деталей; второй — снижение стоимости самого приспособления и себестоимости его проектирования. Эти критерии неизменно связаны между собой, и поиск оптимального варианта [46] применяется во всех современных системах конструкторской подготовки производства. Но эти методы позволяют лишь выбрать наиболее приемлемый вариант с позиции «цена - качество», а не позволяют внести изменения в сам процесс проектирования. В настоящее время накоплен опыт научных разработок как в области технологии машиностроения, так и в раз работке автоматизированных систем конструкторской и технологической подготовки производства, позволяющий разрабатывать совершенные приложения, снижающие стоимостные показатели на этапе проектирования станочных приспособлений, но для этого требуется проведение соответствующих научных исследований, включающих в себя разработку моделей некоторых модулей, а также создание пилотной версии приложения САПР СП, реализующей результаты теоретических исследований.
Состав и структура обмена данных между модулями системы проектирования станочных приспособлений
Разработчик системы автоматизированного проектирования всегда ограничен в использовании ресурсов аппаратных средств, это и скорость работы процесса, возможности устройств для вывода графических изображений, ресурсы памяти. В то же время информация для обмена данными между различными модулями дожна быть наиболее полной, явной, понятной как для программиста, так и для пользователя. Эта задача решается на предварительном этапе разработки САПР СП.
Для представления баз данных наиболее приемлемым является dbf-формат представления данных, но содержание полей по представлению автора, должно быть следующим (на основании 2.1).
Для БД аналогов: операция (ТО) - текстовое поле; габариты (Г) -числовое поле; тип обрабатываемых деталей (ТД) - текстовое; масса приспособления (М) - числовое, схема приспособления (Сх) - графическое. Таким образом, наибольший объём памяти занимает графическое поле схемы приспособления, которое предназначено для визуализации результатов поиска аналогов. Схема формирования запроса аналога приспособления и получения результатов представлена на рис. 2.5. Согласно этой схеме, пользователь (конструктор) формирует запрос на поиск аналоговых приспособлений, а модуль, управляющий БД аналогов, производит поиск схемы, соответствующей запросу и выдает результаты поиска.
Другие базы данных формируются по аналогичным признакам с учетом формата данных. Следует отметить, что база данных конструкционных материалов является общей для системы, так как данные из нее используются в модуле формирования конструкторской документации и в модуле силовых расчётов. Для формирования и поддержки баз данных могут быть использованы различные СУБД, согласно рекомендациям [11,52] и опыту автора для этих целей наиболее приемлемым является СУБД Access фирмы Microsoft.
Обмен данными между модулями системы - наиболее важная задача, решаемая разработчиком приложения.
Остановимся на модуле генерирования технической документации и связи его с другими модулями. Современные средства графического проектирования поддерживают как 2D, так и 3D моделирование. Плоские модели генерируются САПР в виде чертежей, ею же генерируется текстовая информация в виде спецификаций и моделей. Таким образом, типовые детали и детали, разрабатываемые пользователем, в головном модуле должны полностью описывать геометрическую модель приспособления и его элементов. Как было сказано выше, результатом работы головного модуля является схема приспособления со всеми необходимыми геометрическими характеристиками и назначенным материалом деталей. Эта же схема, а правильнее, ее параметры передаются в модуль расчета размерных цепей. В то же время при силовых расчетах также необходимы геометрические характеристики модели приспособления, а также его отдельных элементов.
Создание 3D — модели приспособления с последующим получением ассоциативных видов, по мнению автора, является наиболее эффективным вариантом автоматизированного проектирования. Причем CAD-система должна поддерживать параметрическое проектирование объектов, а параметры формируются на основании анализа и расчетов в головном модуле, модуле синтеза конструкции, модуле силового расчета, модуле анализа размерных цепей. Параметры могут быть сформированы для плоских моделей и переданы в соответствующие приложения для генерации чертежей и спецификаций [47]. И здесь появляется новая информационная связь между базой данных типовых элементов и приложением для генерации технической документации. А если точнее — приложение для генерации технической документации должно содержать базу данных типовых элементов для проектирования приспособлений. Некоторые CAD-системы имеют подобные библиотеки, например ADEM. Но обмен параметрической информацией в этой системе крайне затруднен. Более гибкими возможностями по обмену параметрической информацией, по мнению автора, обладает T-FLEX, позволяющий обмениваться информацией в текстовой форме даже через офисные приложения. Этот фактор может удешевить выбор приложения для силовых расчетов при условии использования только результатов статики. Но для получения точных прочностных расчетов следует использовать приложения, в алгоритм которых положен метод конечных элементов. Только в этих приложениях возможен расчет корпусных деталей сложной формы. Вновь появившиеся связи представлены на схеме, рис. 2.6.
Использование математического аппарата теории нечетких множеств в подсистеме анализа конструкций приспособлений
Характеристикой нечеткого множества выступает функция принадлежности (Membership Function). Обозначим через MFc(x) — степень принадлежности к нечеткому множеству С, представляющей собой обобщение понятия характеристической функции обычного множества. Тогда нечетким множеством С называется множество упорядоченных пар вида C={MFc(x)/x}, MFc(x) «[0,1]. Значение MFc(x)=0 означает отсутствие принадлежности к множеству, 1 —полную принадлежность ]. Проиллюстрируем это на простом примере. Формализуем неточное определение «погрешность базирования». В качестве х (область рассуждений) будет выступать шкала погрешности закрепления в мкм. Очевидно, что она будет изменяться в заданном интервале, например от 0 до 1000. Нечеткое множество для понятия «погрешность базирования» может выглядеть следующим образом: Так погрешность базирования = 600 мкм принадлежит к множеству погрешность со степенью принадлежности 0,60. Для одного приспособления эта погрешность будет слишком велика, для другого вполне удовлетворительна, а для третьего обеспечение этого параметра избыточно. Именно в этом и проявляется нечеткость задания соответствующего множества. Для нечетких множеств, как и для обычных, определены основные логические операции. Самыми основными, необходимыми для расчетов, являются пересечение и объединение.
В теории нечетких множеств разработан общий подход к выполнению операторов пересечения, объединения и дополнения, реализованный в так называемых треугольных нормах и конормах. Приведенные выше реализации операций пересечения и объединения - наиболее распространенные случаи /-нормы и /-конормы. Для описания нечетких множеств вводятся понятия нечеткой и лингвистической переменных. Нечеткая переменная описывается набором (N,X,A), где N — это название переменной, X — универсальное множество (область рассуждений), А — нечеткое множество на X. Значениями лингвистической переменной могут быть нечеткие переменные, т.е. лингвистическая переменная находится на более высоком уровне, чем нечеткая переменная. Каждая лингвистическая переменная состоит: - из названия; - множества своих значений, которые также называется базовым терм-множеством Т. Элементы базового терм-множества представляют собой названия нечетких переменных; - универсального множества X; - синтаксического правила G, по которому генерируются новые термы с применением слов естественного или формального языка; - семантического правила Р, которое каждому значению лингвистической переменной ставит в соответствие нечеткое подмножество множества X.
Рассмотрим такое нечеткое понятие, как Стоимость приспособления . Это и есть название лингвистической переменной. Сформируем для нее базовое терм-множество, которое будет состоять из трех нечетких переменных Низкая , Умеренная , Высокая - и зададим область рассуждений в виде Х=[100;200] (единиц). Последнее, что осталось сделать, — построить функции принадлежности для каждого лингвистического терма из базового терм-множества Т. Существует свыше десятка типовых форм кривых для задания функций принадлежности. Наибольшее распространение получили треугольная, трапецеидальная и гауссова функции принадлежности. Треугольная функция принадлежности определяется тройкой чисел (а,Ь,с), и ее значение в точке х вычисляется согласно выражениям: При {b — а)=(с — b) имеем случай симметричной треугольной функции принадлежности, которая может быть однозначно задана двумя параметрами из тройки (а, Ь, с). Аналогично для задания трапецеидальной функции принадлежности необходима четверка чисел (а, Ь, с, d)
Оценка вариантов диалогов системы проектирования станочных приспособлений по неметризуемым факторам
Сложные производственные системы характеризуются большим числом различных параметров. При этом многие факторы не имеют точного математического описания и не поддаются количественной оценке, а некоторые могут быть оценены на основе интуиции и опыта специалистов. В полной мере это можно отнести к разработке систем управления технологическими процессами или конструированию оборудования и машин [38].
Поэтому точное формулирование цели системы и критериев её достижения (целевой функции) в общем случае представляет собой труднейшую проблему измерения и сравнения многих разнородных переменных, часть которых вообще не имеют естественной шкалы для измерений и в принципе несоизмеримы друг с другом. В результате между такими параметрами не может быть обычных арифметических операций, возможно лишь их ранжирование, т.е. установление иерархии относительно ценностей и шкалы приоритетов. Эта сторона дела меньше всего поддаётся формализации и поэтому, в основном, базируется на мнении самого проектировщика, а также на мнении учёных и других опытных специалистов.
Ранг — это показатель, характеризующий порядковое число оцениваемого объекта или явления в группе других таких же объектов (явлений). Ранжирование - это процедура установления относительной значимости исследуемых объектов на основе их предпочтительности друг перед другом. Обычно наиболее предпочтительному объекту присваивается первый ранг, а наименее желательному — последний. Для установления ранга привлекаются независимые эксперты. В общем случае каждый эксперт при ранжировании должен расположить все объекты (варианты альтернативы и т.п.) в порядке, который ему представляется наиболее рациональным, и приписать каждому числа натурального ряда 1, 2, 3 и т.д. Точность и надежность ранжирования зависят от количества объектов: чем их меньше, тем выше различимость, и тем надежнее можно установить ранг.
Однако использование несистематизированных высказываний отдельных специалистов при решении сложных производственных проблем часто оказывается малоэффективным, так как специалисты не в состоянии охватить всё многообразие взаимосвязей между элементами больших систем и учесть все альтернативные пути решения возникающих задач. Это заставляет прибегать к комплектованию групп специалистов, представляющих в качестве экспертов различные области знаний: технологов, математиков, конструкторов, дизайнеров и т.д.
Когда ранжирование производится несколькими экспертами, то сначала подсчитывается сумма рангов для каждого объекта, причем высший (первый) ранг присваивается объекту, получившему наименьшую сумму рангов. Наоборот, объекту с наибольшей суммой рангов присваивается самый низкий ранг. Остальные объекты упорядочиваются в соответствии со значениями суммы рангов относительно того объекта, которому присвоен первый ранг.
Ранг определяет лишь место, занимаемое данным объектом среди других, ему подобных, но метод ранжирования не дает ответа на вопрос, как далеко отстоят друг от друга исследованные объекты. Иными словами, ранг не показывает, насколько первый по списку вариант лучше второго, а второй лучше третьего и т.д. По этой причине метод ранжирования часто применяется в сочетании с методом непосредственной оценки. Для этого разрабатывается шкала интервалов, каждой градации которой присваивается определённый вес (балл), например: от 1 до 5 или от 1 до 100 и т.д. С точки зрения экспертов, величины интервалов должны быть равными. Задачей экспертов является помещение всех рассматриваемых объектов в определенный оценочный интервал, т. е. назначение им определенного балла.
Степень надежности полученных оценок можно определить по разбросам отдельных экспертов и их групп или, что эквивалентно, по степени согласия (совпадения) оценок. Степень согласования характеризуется коэффициентом конкордации (согласия) W и соответствующим уровнем значимости
