Современное состояние автоматизации технологического проектирования

   Процессы, в том числе и технологические, представляют собой класс технических систем, отличительной особенностыо которых является существенная зависимость от времени. Можно предложить следующую иерархическую классификацию элементов технологических процессов: план обработки, этап обработки, операция, переход, ход. План обработки складывается из этапов, этапы из операций, операции из переходов, которые формируются из рабочих и вспомогательных ходов. Перед началом формирования плана необходимо выбрать вид заготовки и ее свойства, из которых для проектирования ТП важнейшими являются квалитет точности размеров, припуски и напуски. 

   Этап  обработки представляет собой последовательность операций, принадлежащих к одному технологическому методу и обеспечивающих одинаковое качество обработки. Полный набор этапов, из которых складывается план обработки, зависит от конкретных условий, однако при этом можно выделить следующую базовую совокупность: термический 1 (улучшение, старение); обработка баз; черновой; получистовой; термический 2 (закалка или улучшение); чистовой; термический 3 (азотирование или старение); отделочный; покрытий; доводочный (получение шероховатости до Ra=0,02).

   Типаж операций и переходов определен  в соответствующих классификаторах, а состав основных свойств — в стандартах ЕСТД.

   Проектирование  ТП на уровнях формирования последовательности этапов, операций и переходов складывается из двух фаз: структурного и параметрического синтеза. Структурный синтез должен установить последовательность элементов на соответствующем уровне. Задача параметрического синтеза заключается в формировании свойств элементов, включенных в технологический процесс. Основными операциями параметрического синтеза являются выбор средств технологического оснащения (станков, приспособлений, инструмента) и нормирование, включающее расчет режимов обработки.

   Источник  информации и степень инвариантности знаний структурного синтеза определяются иерархическим уровнем решаемой проблемы: проектирование маршрута изготовления детали (набора этапов и операций) или проектирование операционной технологии (набора переходов обработки КТЭ). В первом случае знания существенно зависят от организационно-технической структуры предприятия и его традиций. Эти знания индивидуальны для каждого предприятия. Во втором случае знания черпаются из справочников, методических пособий и нормативных материалов. Знания этого уровня относительно инвариантны и могут с минимальными изменениями использоваться на различных предприятиях.

   Основной  целью создания интеллектуальных САПР ТП является простота и удобство представления знаний для структурного и параметрического синтеза.

   Метод представления знаний структурного синтеза. При проектировании структуры технологических процессов традиционно используются типовые и групповые ТП. Типовые процессы применяются для деталей, обладающих подобием в конструктивном и технологическом плане. С системной точки зрения к числу типовых относятся детали, имеющие одинаковую структуру, то есть набор и связи КТЭ. при различных значениях свойств этих элементов (размеров, свойств материала и т.п.). Групповые процессы используются для деталей, различных в конструктивном отношении, но подобных в технологическом плане. Такие детали обладают различной структурой КТЭ. На основе выбранного множества деталей, входящих в группу, обычно разрабатывают комплексную деталь, включающую все типы элементов, встречающихся у деталей группы. Для такой детали разрабатывается комплексный технологический процесс и формируется общая инструментальная наладка. Рабочий ТП для каждой детали из группы определяется составом ее КТЭ и представляет собой подмножество комплексного ТП.

   Существуют  схемы моделей различных методов. Типовая модель имеет фиксированную  структуру. Структура рабочего процесса в групповой модели формируется путем удаления лишних технологических действий (операций или переходов). Наиболее общей является метамодель, представляющая собой И/ИЛИ-граф. В местах разветвлений на этом графе проставляются условия, определяющие выбор одного из возможных решений.

   Если групповая модель строится на базе комплексной детали, то метамодель основывается на виртуальной детали. В отличие от комплексной, виртуальная деталь может не иметь физической реализации. Это происходит в тех случаях, когда в ее состав входят взаимоисключающие элементы, например дополнительные элементы, связанные со шпоночным или шлицевым соединением на одном и том же основном элементе — цилиндрической ступени вала.

   Метамодель  является наиболее общей, интегрируя в  себе типовую и групповую. В отличие  от групповой модели, для формирования структуры ТП она использует операции не только удаления, но и замены.

   Простейший  способ ввода таких знаний заключается  в рисовании на экране И/ИЛИ-графа  с простановкой в соответствующих  местах на его ребрах условий выбора решений. Сам такой граф в целом также имеет условия своего применения. Именно таким образом, доступным для любого технолога, и организовано формирование знаний структурного синтеза в интеллектуальной САПР ТП, разработанной в «СПРУТ-Технологии». На основе такой информации автоматически генерируются программные средства базы знаний, которые затем используются при проектировании ТП. Для общепринятого набора КТЭ с использованием общемашиностроительных нормативных материалов разработана обширная база знаний структурного синтеза операционных технологических процессов токарной, фрезерной и сверлильно-расточной обработки.

   Метод представления знаний параметрического синтеза. Самым простым способом представления знаний параметрического синтеза является использование продукционных систем искусственного интеллекта. В таких системах знания представляются в виде правил-продукций, являющихся аналогами условного предложения естественного языка: ЕСЛИ <условие>, ТО <действие>. Такие правила строятся на базе словаря, содержащего термины технического языка и их условные обозначения (идентификаторы). В качестве действий используются расчеты по формулам, выбор данных из многовходовых таблиц, которые могут содержать как константы, так и формулы, выбор информации из баз данных, генерацию графических изображений и т.д. Ниже приведены два правила, связанные расчетом режимов резания. Первое содержит формулу для расчета базовой подачи при сверлении отверстий, а второе — коэффициенты, необходимые для расчета по этой формуле. Условием применения обоих правил является значение «Сверлить» у переменной «Вид перехода».

   Технолог  формирует правила параметрического синтеза с помощью специального инструментального средства. Работа с помощью этого средства доступна любому непрограммирующему пользователю. После ввода всех необходимых правил автоматически генерируется программное средство базы знаний, которое в дальнейшем используется при проектировании технологических процессов. Базы знаний получаются модульными, открытыми для модернизации и доступными для чтения и понимания любым технологом. Разработаны базы знаний по оснащению и нормированию основных видов технологических процессов.

   Создана интеллектуальная система проектирования технологических процессов, не имеющая  аналогов и обеспечивающая достижение всех основных и вспомогательных целей, стоящих перед САПР. Проектирование нового ТП с ее помощью занимает считанные минуты. Технологу с помощью простейшего интерфейса необходимо описать деталь, а затем наблюдать за генерацией технологического процесса, отвечая на редкие запросы компьютера по выбору из допустимого набора тех решений, которые невозможно формализовать. В заключение производится автоматическая генерация технологической документации с использованием форм документов, принятых на предприятии.                                   

   Качество  спроектированного ТП практически  не зависит от квалификации технолога  и определяется содержимым баз знаний.

   Генерация баз знаний не требует знаний по программированию и доступна широкому кругу специалистов. 

   7.11 CASE – технологии 

   Современный рынок программного обеспечения  автоматизации конструкторско-технологической  подготовки производства насыщен самыми разнообразными CAD/CAM-, CAE-, TDM- и PDM-системами, способными существенно облегчить работу конструктора и технолога проектного и производственного отделов. Их разработкой занимаются специалисты самих промышленных предприятий, использующие полученные решения для собственных нужд, вузы — преимущественно для ведения научных исследований и специализированные софтверные фирмы, существующие за счет тиражирования программных решений или разработок систем на заказ. Таких программ по всему миру создано уже сотни тысяч, а спрос на новые решения постоянно растет и неизменно опережает предложение [23].

   Несмотря  на огромное число универсальных  инструментальных средств автоматизации инженерной деятельности, все они недостаточно эффективны для выполнения комплексной автоматизации конструкторско-технологической подготовки   производства конкретного изделия на конкретном заводе. Обязательно найдется круг задач, выпадающих из списка решаемых проблем с использованием той или иной универсальной САПР. Это привело к тому, что разработчики программного обеспечения серьезно взялись за создание программных инструментальных средств, позволяющих на основе базовой САПР программировать модули для решения ряда специфичных задач пользователя.

   Наличие   инструмента,   позволяющего  создавать  пользовательские программные модули, интегрированные с базовым продуктом, становится все более неотъемлемым условием, выдвигаемым со стороны пользователей САПР.

   Использование универсальных систем для автоматизации производства — один из наиболее понятных и распространенных путей развития промышленных предприятий, но не единственный.

   История возникновения и развития любой  из существующих универсальных САПР показывает, что все они начинали свой жизненный путь как программы, ориентированные на решение вполне конкретных производственных задач. Одни разрабатывались в стенах заводов, другие — по заказу промышленников в вузах и НИИ. Итак, главное — программные разработки изначально были призваны решать конкретные производственные задачи (кстати, это привело, в частности, к тому, что современные универсальные САПР все-таки имеют некоторую специализацию, где их применение наиболее эффективно). Потребность в создании универсальных программ с целью их тиражирования появилась как результат использования малоэффективных инструментальных средств и технологий программирования. Кроме того, с точки зрения бизнеса тиражирование программного решения — самый простой путь развития компании-разработчика. 

   Лучшая  система автоматизации  производства — система, разработанная на заказ. Если опросить пользователей разных промышленных предприятий, какую САПР они предпочли бы видеть на своем рабочем месте, мы получим примерно один и тот же ответ: программу, в которой присутствует только одна кнопка, нажав на которую можно получить готовый комплект конструкторско-технологической документации на изготовление нового изделия. Это идеал, к которому в конечном счете стремятся все разработчики программного обеспечения.

   Однако  этот идеал не столь иллюзорен. Оказывается, «систему с одной кнопкой» для  решения несложных локальных задач сегодня уже можно получить даже с применением универсальных САПР со встроенными средствами программирования и настройки. Однако в рамках автоматизации всего производства без создания системы на заказ построить «систему с одной кнопкой», манипулируя универсальными САПР разного уровня, практически невозможно. Впрочем, построение заказной системы с использованием современных визуальных сред программирования класса Delphi, Borland C++, Visual Basic и Visual C++ не менее утопично. Более того, опыт создания систем на заказ показывает, что без привлечения специалистов, для которых они разрабатываются, успех данного мероприятия также сомнителен, поскольку в противном случае мы рискуем получить очередное «программистское решение» — красивое и изящное, но неработоспособное. Становится очевидным, что пользователь сам должен участвовать в разработке и поддержке системы, с помощью которой он на своем рабочем месте сможет эффективно решать стоящие перед ним производственные задачи.

   Необходимость привлечения непосредственно к процессу создания программ предметных специалистов, не обладающих углубленными знаниями в области программирования, привела к появлению CASE-средств.

   Наиболее  заметные успехи в этом направлении  на сегодня достигнуты в индустрии  компьютерных игр, при создании которых  разработчики используют специальные программные средства, позволяющие быстро проектировать различные лабиринты, движущиеся объекты, создавать монстров и определять правила игры. Некоторые компьютерные игры сегодня даже поставляются вместе с таким инструментом — для дальнейшего их развития усилиями самих пользователей (например, DOOM).

   Немало  специализированных CASE-средств сегодня используется и для разработки различных автоматизированных систем управления.

   Хуже  обстоят дела в области машиностроительных CASE-средств. С уверенностью можно назвать только две серьезные разработки, высокоэффективные и доступные на сегодня пользователям различных промышленных предприятий. Это CAS.CADE от французской фирмы MATRA Datavision и СПРУТ от российской компании «СПРУТ-Технология».