CC BY
40
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.9.014.001.24:631.3
В. А. Белашов, А. В. Белашов, М. В. Белашов
АВТОМАТИЗАЦИЯ СИНТЕЗА ОПЕРАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ РАЗМЕРНОГО АНАЛИЗА
Излагаются вопросы методологии синтеза структуры технологического процесса на основе результатов его размерного анализа. Описан алгоритм автоматического выявления размерных цепей.
Введение
Вопросы автоматизации синтеза технологических процессов долгие годы остаются в центре внимания исследователей и разработчиков компонентов систем автоматизированного проектирования. Это вполне оправдано, т.к. именно синтез структуры является наиболее трудно формализуемым процессом при создании систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПРТП).
Надо отметить, что в части разработки методологии автоматизации синтеза маршрутных технологий имеются значительные результаты, позволяющие создавать вполне работоспособные компоненты САПРТП. В настоящее время для синтеза маршрутов используются в основном общие технологии, построенные на основе элементарных маршрутов [1], продукционных списков или семантических сетей [2]. Применение искусственных нейронных сетей [3] позволяет создать общий процесс на принципах самообучения САПРТП, что упрощает и удешевляет адаптацию системы к конкретным производственным условиям.
В разработке методики автоматизации синтеза операционных технологий успехи не так очевидны. В процессе синтеза операционной технологии участвует слишком много параметров, в том числе точностные и размерные параметры: размеры детали и заготовки, технологические и настроечные размеры, отклонения формы и расположения поверхностей, припуски и т.д. Число возможных вариантов схем простановки размеров как на чертежах детали и заготовки, так и на операционных эскизах так велико, что весьма сложно учесть их на всех этапах обучения системы. Это значительно усложняет работу специалиста, адаптирующего систему применительно к традициям и возможностям производственной среды конкретного предприятия. Так что приемы, применяемые при синтезе маршрутов и оперирующие ограниченным числом параметров, здесь неэффективны.
Критерием качества связанных размерных цепей синтезированной операционной технологии, как известно, является размерный анализ. Методы размерного анализа сейчас разработаны в достаточной для практического применения степени, хотя некоторые аспекты и требуют уточнения или развития. Как следует из опыта размерного анализа технологии, достаточно
сложно с первой попытки создать структуру процесса, отвечающую всем требованиям конструкторского документа и обеспечивающую положительные результаты размерного анализа.
В процессе синтеза операционной технологии необходимо обеспечить возможность модифицировать структуру по результатам размерного анализа. Механизм модификации (ре-синтеза) структуры к настоящему времени практически не разработан.
Еще одна проблема структурного синтеза технологической операции возникает при подготовке исходной информации. Очевидно, что большинство данных, связанных с геометрией детали и ее параметрами, целесообразно получать из конструкторской системы проектирования. Это минимизирует субъективные ошибки, характерные для ввода больших объемов данных, и не требует включать в технологическую САПР лингвистическое обеспечение для описания детали и средства его интерпретации, что обычно усложняет и удорожает программное обеспечение. Но большинство графических редакторов при создании двумерного чертежа оперирует примитивами типа отрезок, окружность, дуга и т.п., которые практически невозможно соотнести со структурными элементами операции и маршрута. Даже при наличии трехмерной плоскостной или твердотельной модели возникают значительные сложности.
Практически все графические системы представляют модель детали, модель заготовки и операционные эскизы в виде отдельных, не связанных между собой графических объектов (чертежей, фрагментов или трехмерных моделей). В связи с этим возникают непреодолимые трудности автоматического выявления размерных связей, на основе которых выполняется синтез структуры технологического процесса и его размерный анализ.
Таким образом, для создания методологии синтеза операционной технологии механической обработки деталей необходимо, как минимум, решить следующие задачи:
- разработать модель объекта проектирования, отвечающую требованиям синтеза технологии и размерного анализа;
- разработать процедуры синтеза структуры технологического процесса с использованием результатов размерного анализа;
- уточнить и дополнить методику размерного анализа технологического процесса.
1. Модель объекта проектирования
Модель детали разрабатывается на основе требований, предъявляемых поставленной задачей. Модель должна:
- позволять удобно и просто описывать характерные для деталей машиностроения геометрические формы;
- быть удобна для выполнения импорта и экспорта изображения с использованием наиболее распространенных стандартов обмена графическими данными, например БХБ или КББ;
- обеспечивать однозначную связь с операциями и переходами технологического процесса;
- обеспечивать однозначную связь размеров детали, заготовки и операционных размеров;
- позволять автоматически выявлять размерные связи, выполнять размерный анализ и выполнять ре-синтез технологического процесса.
В основу модели положены идеи, изложенные в работе [4]. Описание геометрии осуществляется с использованием библиотеки элементов формы (ЭФ), образующих наружный - главный контур детали, и вспомогательных элементов (ЭВ), накладываемых на ЭФ, с учетом типа детали.
Тип детали определяется на основе кинематического подхода и задается способом получения поверхности, образующей главный контур детали:
- деталь вращения (вал, втулка, диск и т.п.) образуется вращением образующей относительно главной оси детали;
- деталь вытягивания (планка, корпус, пластина и т.п.) образуется перемещением образующей относительно координатного направления.
Структура геометрии определяется типом детали (в силу ограниченного объема статьи в дальнейшем рассмотрим только детали вращения) и включает:
- объект (деталь, заготовка, операционный эскиз);
- координатное направление, задаваемое для каждого объекта плоскостью визуализации (число направлений произвольное, достаточное для описания детали).
Каждое координатное направление включает описание:
- главного контура;
- дополнительных контуров (число дополнительных контуров не ограничивается).
Признаком начала описания контура является система координат (СК).
В пределах каждого контура структура делится на разделы:
- раздел ЭФ;
- раздел ЭВ;
- раздел координирующих размеров.
Каждый ЭФ содержит список параметров, необходимых для синтеза технологического процесса:
- квалитет;
- параметр шероховатости;
- значение параметра шероховатости;
- вид параметра отклонения формы;
- значение параметра отклонения формы;
- вид параметра отклонения расположения поверхности;
- значение параметра отклонения расположения поверхности;
- вид термообработки;
- толщина слоя термообработки;
- шкала твердости;
- значение твердости;
- вид покрытия;
- толщина покрытия;
- вид химико-термической обработки;
- толщина слоя химико-термической обработки;
- вид дополнительной обработки.
Вся деталь (включая системы координат дополнительных контуров) описывается в системе координат главного контура.
Все ЭФ в пределах раздела упорядочиваются (сортируются) по значению координаты привязки к началу контура (к началу системы координат).
При сортировке определяется признак положения (слева, середина, справа). Признак записывается в каждый ЭФ.
ВФ не сортируются (размещаются в порядке их записи), но связываются с ЭФ, на которых они образованы, двусторонней связью.
Привязка ВФ осуществляется с учетом признака его положения - ближайшее или удаленное относительно начала СК. Признак ближайшего положения позволяет привязать ЭВ к левой стороне ЭФ, а удаленное положение привязывает ЭВ к правой стороне ЭФ с поворотом на 180°.
Для каждого ЭФ устанавливается перечень допустимых ЭВ.
ЭФ и ЭВ именуются оригинальными именами - идентификаторами, которые присваиваются каждому новому ЭФ автоматически с использованием генератора идентификаторов. Идентификатор представляется целым числом и используется для идентификации поверхностей, участвующих в размерном анализе.
Некоторые ЭФ являются системными. Они определяются системой при создании основных ЭФ автоматически. Примером системного элемента является торец ступени.
2. Интерфейсные элементы для описания модели
Модель реализована в разработанном авторами статьи редакторе технологических процессов РТП2000 (свидетельство РосАПО № 940187). Редактор позволяет использовать предлагаемую модель в общих технологических процессах, в системе размерного анализа и подсистеме синтеза технологии.
Основным интерфейсным элементом для описания детали и заготовки в редакторе РТП2000 является панель «поверхности детали и заготовки» (рис. 1).
Рис. 1 Панель описания детали и заготовки
Панель содержит поле (слева) для визуализации проектируемой детали (рис. 1). В нем показывается геометрия одного координатного направления, причем можно, показывая деталь, прорисовать фоновым цветом заготовку и наоборот.
Тело детали (заготовки) выделяется цветом. Объект может быть показан с каждой стороны главной оси в сечении или снаружи (прорисовка с одной стороны может быть отключена).
В средней части располагается панель для выбора типа детали и группы элементов формы. В ее нижней части располагаются таблицы для записи значений геометрических и других параметров ЭФ.
В правой части располагается список элементов формы выбранного координатного направления. ЭФ можно выбирать указанием мышкой в левой панели, причем выбранные элементы выделяются цветом или в списке элементов.
Модель может быть импортирована в графический редактор, поддерживающий стандарты БХБ или КББ (например, в Компас).
3. Синтез операционного технологического процесса
Как уже отмечалось выше, синтез операционных технологий связан со многими трудностями из-за большого числа параметров. Наибольшие из них возникают при генерации схем простановки операционных размеров, число которых, даже при наличии ограничений, связанных с базированием детали, велико. Как следствие, перебор всех вариантов схем простановки операционных размеров с целью поиска оптимального из них требует длительных вычислений.
Для решения этой проблемы авторы попытались реализовать эволюционный способ [5] решения задач оптимизации на основе генетического алгоритма, который для синтеза технологий пока не использовался. Его применение минимизирует время поиска оптимального решения. Суть постановки задачи синтеза рассмотрим, используя традиционно принятую в этом способе терминологию.
В качестве свойств особей популяции рассматриваются параметры производственной среды, параметры детали и заготовки, схемы операционных размеров и параметры размеров. Популяция здесь представляется набором вариантов технологических процессов. Приспособленность к выживанию особей популяции определяется стоимостными параметрами технологии и результатами размерного анализа. Популяции с отрицательными результатами размерного анализа отбрасываются, а популяции с лучшими стоимостными параметрами имеют большую вероятность создания потомков, которые генерируются в процессе мутации свойств родителей.
Генетический алгоритм реализует итерационный процесс. В начале его работы случайным образом генерируется первая популяция - вариант операционной технологии. На каждом следующем шаге алгоритм реализует оценку приспособленности, отбор лучших решений, кроссовер и мутацию. Таким образом, из поколения в поколение лучшие характеристики операций распространяются по всей популяции и, в конечном итоге, процесс сходится к оптимальному технологическому решению.
4. Размерный анализ технологического процесса
Методика размерного анализа технологических процессов довольно хорошо разработана [6]. Определенную проблему составляет лишь механизм автоматического выявления размерных цепей и методика их решения при наличии симметричных оси размеров, но она успешно решена авторами [3].
В связи с тем, что во многих случаях размерный анализ целесообразно выполнять автономно от синтеза структуры процесса, например для оценки созданного технологом вручную варианта технологии, модуль анализа представлен автономным компонентом (РА). Он реализует алгоритм, представленный на рисунке 2.
Рис. 2 Схема алгоритма размерного анализа
Алгоритм автоматически выявляет размерные связи, определяет последовательность решения цепей, параметры операционных размеров, припуски и технологические допуски.
Для построения таблицы размерных связей авторами разработан двух-ходовый волновой алгоритм.
На первом проходе для выбранного замыкающего звена строится таблица связанных с ним размеров с проверкой замыкания цепи. Если замыкание не обнаружено, процесс повторяется для выявленных размеров, связанных с выявленными ранее размерами и т.д.
Здесь определенной проблемой является выявление момента прерывания работы алгоритма, актуального в случае отсутствия замыкания цепи. Момент прерывания можно определить как момент повторения уже выявленной цепочки размерных связей. Однако такой прием требует значительных вычислительных ресурсов и времени. Авторами использован более простой метод, при котором цепь считается не построенной после выполнения некоторого числа циклов без выявления замыкания цепи. Предельное число циклов вычисляется как функция общего числа размеров.
На втором проходе, который активируется только при выявлении замыкания, осуществляется построение цепи, определение типа размеров и вычисление передаточных отношений размеров цепи.
Для использования компонента РА необходимо представить заготовку, деталь и вариант технологического процесса в виде размерно-технологической схемы. На рисунке 3 показана такая схема, созданная для простого валика, в двух координатных направлениях - вдоль оси валика и перпендикулярно ей.
Рис. 3 Размерно-технологическая схема
Для машинного представления схемы авторами разработан алгоритмический язык и средства его интерпретации.
Если размерный анализ по каким-либо причинам выполнить невозможно, он прерывается с выводом соответствующих сообщений и рекомендаций. Для управления анализом в редакторе РТП200 имеется специальная панель, показанная на рисунке 4.
Создание размерно-технологической схемы редактор РТП2000 способен выполнить автоматически на основе анализа операционных эскизов.
На рисунке 5 показана панель редактора РТП2000 для создания схемы операционных размеров технологического перехода. Операционный эскиз синтезируется на основе схем операционных размеров технологической операции и может быть экспортирован в графический редактор в текстовом формате БХБ (КББ).
**' Belcomp-RTP2000 [ редактор технологическим процессов ]
объекты проекта -
- т проект (ВТР2000) ВТР
ПензГУ 1.3-09.151001.202.001 (Ф. щ-с> Маршріл-: рабочий ^ ПензГУ 1.3-09.151001.202.001 (Фг ІГРі без имени
■ П ензГУ 1.3-09.151001.210 (Планке
■ 078 505 9 0100 00 (Редуктор)
общие сведения | согласования | заготовка | расцеховка | документы размерный анализ ] из ^ I ^
координатное направление анализа для активации анализа нужно выбрать обозначение направления -> |А 2Л
Управление анализом--------
■ определение допуска (квалигета, предельных отклонений) при анализе ошибок —
Номинал |100 Поле [h j[J ES jfo
Допуск в мм |0.87 Квалитет [н j[J El |-0.87
(* метод min • max
С метод теор.-вер.
типовые параметры технологических операции и заготовок
Размерно - технологическая схема ■
[101 205] 30
[101 401] 100
[307 401] 40(0.02 0)
100,200,400:
штамповка обычной точности [100 200]
[100 400]
маршрут
101,401:
фрезерование чистовое RZ=3 5 Н=50 1Т=11 [101 200]
[101 401]
[100 101] прип
RZ =15О Н=300 1Т=15
Рис. 4 Панель размерного анализа
Рис. 5 Панель операционного эскиза
Система позволяет в процессе проектирования переходов указать или отредактировать схему простановки операционных и координирующих размеров, определить обрабатываемые поверхности, покрытия и их свойства.
Чертеж детали и заготовки заимствуется из описания координатного направления детали или, при отсутствии такового, из чертежа, выполненного средствами графического редактора, например Компас.
При использовании описанных выше возможностей система создает размерно-технологическую схему в виде описания на алгоритмическом языке и в графическом виде, готовом для ее экспорта в графический редактор, например в редактор Компас, в текстовом формате БХБ (КБР). Результаты анализа (операционные размеры, припуски и допуски) автоматически передаются в описания переходов.
При использовании модуля РА в составе системы синтеза она встраивается в генетический алгоритм с отключением средств диалога и вывода сообщений пользователю, а операционные эскизы создаются системой синтеза.
Заключение
Предлагаемая авторами методика позволяет автоматически синтезировать операционный технологический процесс на основе размерного анализа варианта технологии, обеспечивающий безусловное получение заданных в конструкторском документе параметров детали в процессе его реализации.
При автономном использовании разработанных средств упрощается процесс подготовки информации для размерного анализа и сам анализ.
Список литературы
1. Корчак, С. Н. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов / С. Н. Корчак [и др.]. - М. : Машиностроение, 1988. - 350 с.
2. Поспелов, Д. А. Продукционные модели. Искусственный интеллект : справочник / Д. А. Поспелов ; под ред. Д. А. Поспелова. - М. : Радио и связь, 1990. - 2 т. -С. 49-56.
3. Белашов, А. В. Структурный синтез технологических процессов в интегрированных САПР на основе использования искусственных нейронных сетей : дис. ... канд. техн. наук / А. В. Белашов. - Пенза, 1999.
4. Матвеев, В. В. Размерный анализ технологических процессов / В. В. Матвеев, М. М. Тверской, Ф. И. Бойков [и др.]. - М. : Машиностроение, 1982. - 320 с.
5. Исаев, С. Популярно о генетических алгоритмах / [Электронный ресурс] / С. Исаев. - Режим доступа: http://algolist.manual.ru
