Принципы построения и функционирования систем автоматизированного проектирования

В общем виде процесс проектирования в САПР можно пред­ставить в виде схемы, показанной на рис. 4, а, б.

Проектирование (в том числе автоматизированное) состоит из подпроцессов формирования входной информации и подпро­цесса нахождения оптимальных решений.

Исходным пунктом проектирования является замысел, называемый "моделью выхода" (рис. 4, а), так как выход — это результат.

"Модель выхода", являющаяся описанием желательно ре­зультата (цели) технологического процесса, можно представить в виде набора условий: начальных НУ, граничных ГУ и конечных КУ. Начальные условия носят констатирующий характер, а гра­ничные и конечные — ограничительный.

Начальные условия, в свою очередь, подразделяются на:

технологические, содержащие необходимое и достаточное описание объекта обработки, требований к процессу обработки, диапазон допустимых режимов обработки и т.д.;

эксплуатационные, содержащие необходимое и достаточное описание технической базы данной ГПС (параметры станков, систем "станок — приспособление — инструмент — деталь", при­способлений-спутников, инструментов и т.д.);

организационно-экономические (например, объем партии, стоимость станкоминуты, цены, тарифы и другие параметры, обычно используемые в технико-экономических расчетах).

Все величины, фигурирующие в начальных условиях, назы­ваются параметрами начальных условий. Эти параметры могут быть неслучайными (детерминированными), например, объем обрабатываемой партии, или случайными, например показатели точности заготовок, показатели точности и надежности техниче­ских средств.

Граничные условия предназначены для сужения области поиска возможных решений (например, задается некоторый перечень режущих инструментов. Их и только их можно исполь­зовать. Это исключает применение комбинированных или специ­альных инструментов).

Конечные условия задаются в виде ограничений (равенств-неравенств), где фигурируют допустимые (пороговые) значения критериев:

эффективности (полезной отдачи), которые должны быть не ниже заданного (например, ограничения по производительности или по коэффициенту использования станков, учитывающему потери времени из-за ожидания партии деталей, обрабатываемых на предыдущем станке);

стоимости (материальных затрат), которые должны быть не выше заданного (например, ограничения по суммарным затра­там машинного времени, представленным в денежной форме);

оптимальности, который должен быть минимальным (во вся­ком случае, не больше заданного) или максимальным (во всяком случае, не ниже заданного). В качестве критериев оптимальности используют, например, приведенные затраты или производитель­ность труда. Конечные условия — это, По-существу, условия оптимальности выбранного решения.

Естественно, что варианты отдельных факторов связаны между собой условиями сочетаемости: применение конкретного варианта одного фактора может повлечь за собой либо обяза­тельное применение варианта другого фактора (например, выбор маршрута обработки предопределяет выбор видов инст­рументов), либо обязательное неприменение, т.е. исключение применения варианта другого фактора (например, применение фасонного резца исключает необходимость выбора значений подачи).

Учет условий сочетаемости, входящих в состав граничных условий, позволяет, как бы проредить тот "веер" возможных решений, который будет получен на следующих этапах.

Все данные, приведенные в "модели выхода" принимаются в качест­ве исходных и в процессе получения решения какому-либо корректиро­ванию, изменению или выбору не подлежат.

Для достижения поставленной цели, сформулированной в "модели выхода", необходимо использовать соответствующие средства, которые в схеме представлены как варьируемые фак­торы (ВФ). Их выбирают в процессе получения решения, являю­щегося упорядоченным набором вариантов этих факторов. Варь­ируемые факторы могут иметь либо количественную форму (например, значения скоростей резания, подачи или глубины), тогда вариант фактора — это значение величины, либо неколиче­ственную форму (например, условное обозначение способа обра­ботки или кодированное обозначение инструмента), тогда вари­ант фактора — это некоторое обозначение.

В САПР, используемых в составе ГПС, в общем случае выбирают:

маршрут (последовательность) обработки поверхностей детали;

состав переходов и операций (число проходов инструмента, глубина снимаемого за один проход припуска и др.);

схемы базирования;

вид и (или) типоразмер инструментов, выполняющих каж­дую операцию;

конструкцию и параметры приспособления;

вид смазочно-охлаждающей жидкости (среды);

режимы обработки;

способ разбиения (дифференциации) технологического про­цесса по отдельным позициям (станкам);

уровень концентрации операций на каждой позиции (количе­ство одновременно обрабатываемых деталей или число мест в приспособлении, количество одновременно обрабатываемых поверхностей, набор инструментов в шпиндельном блоке, набор шпиндельных блоков для многосторонней обработки и т.д.);

последовательность запуска деталей (или партий деталей) на обработку.

Процесс нахождения всех возможных решений, их оценки и выбора из них оптимального решения строится исходя из началь­ных условий (НУ) и варьируемых факторов (ВФ), а в процес­сах отсева выбора полученные решения проверяются на соответ­ствие ("да — нет") граничным (ГУ) и конечным условиям (КУ) (рис. 4, а).

Проектные процедуры реализуют посредством программ­ных модулей, функции (т.е. состав, порядок и правила примене­ния пакетов прикладных программ) каждого из которых четко определены (рис. 4,6). При этом каждый из модулей имеет несколько взаимозаменяемых версий, выбираемых в зависимо­сти от конкретной ситуации.

Модули формирования входной информации (модули 1.1, 1.2 и 1.3) обеспечивают создание списков (файлов), содержа­щих соответственно начальные условия (файл 4.1), ограничения, заданные граничными и конечными условиями (файл 4.2), и все варианты всех выбираемых факторов (файл 4.3).

Для нахождения всех возможных вариантов какого-либо выбираемого фактора используют таблицы соответствия, где указаны все те варианты, которые ориентировочно приемлемы для заданных начальных условий (например, все операции, с помощью которых в конкретной ГПС может быть обработана данная элементарная поверхность). Формирование списков часто сочетается с кодированием всей количественной и неколичест­венной информации.

Модули корректирования входной информации (модули 2.1, 2.2 и 2.3) обеспечивают возможность редактирования (вне­сение вставок, изменений, добавлений), необходимость в кото­ром может возникнуть на любом этапе проектирования.

Модули визуализации (см. 3.1, 3.2, 3.3 и 11 рис. 4,6) обеспечивают вывод информации на экран, что необходимо для постоянного контроля человека за действием ЭВМ и постоянно­го диалога "человек — ЭВМ" (поскольку графическая форма представления информации более наглядна, чем буквенно-цифровая, в современных САПР информация выводится на графические дисплеи), либо вывод промежуточных или окон­чательных результатов на бумагу (листинги на алфавитно-цифро­вом печатающем устройстве, чертежи на графопостроителе).

Модуль 12 (см. рис. 4, б) обеспечивает подготовку проект­ных документов в стандартной форме. Модуль 5 — предвари­тельный отсев вариантов факторов, т.е. проводит анализ, в ходе которого каждый из вариантов факторов или их наборы прове­ряются на соответствие граничным условиям. Например, отсеи­ваются все способы и средства обработки, которые не обеспе­чивают заданные показатели ее точности и чистоты поверхности, все те варианты совмещения операций, согласно которым одно­временно выполняется более одной чистовой операции или все те варианты совмещения операций, в которых операция нареза­ния резьбы совмещается с какой-либо другой операцией, такие сочетания совместно выполняемых операций, которые не соот­ветствуют жесткости системы "станок — приспособление — инст­румент - деталь".

В результате получают файл 9.1 тех вариантов факторов и тех их сочетаний, которые, безусловно, возможны.

Модуль 6 обеспечивает получение решений, т.е. синтез вари­антов факторов. Решения находят либо использованием унифи­цированных решений, каждое из которых приемлемо для груп­пы технологически сходных деталей, либо генерированием общего решения как совокупности частных.

Рассмотрим оба метода в применении к нахождению техно­логических маршрутов.

Первый метод реализуется по схеме: кодирование конкрет­ной детали и ее идентификация (отнесение к определенной груп­пе) — нахождение детали-аналога — нахождение унифицирован­ного (типового и группового) технологического маршрута — его корректирование в соответствии с формой и геометричес­кими параметрами конкретной детали.

В качестве детали-аналога целесообразно использовать деталь максимально сложной формы, т.е. настолько сложной, что подавляющее большинство практически наиболее часто встречающихся деталей может быть получено упрощением ее формы и (или) изменением геометрических параметров (рис. 6). У детали-аналога количество поверхностей обработки мак­симально и равно 17.

Разумеется, что технологический маршрут конкретной дета­ли всегда будет не длиннее маршрута детали-аналога. Таким образом, этот метод воплощает идею "от общего к частному".

Второй метод реализуется по схеме: анализ конкретной детали, заключающийся в разбиении ее поверхности на типовые элементы формы, — нахождение технологического маршрута

Для каждого типового элемента - синтез технологического маршрута детали путем его формирования из «элементарных» технологических маршрутов.

Технологический маршрут конкретной детали всегда представлен как «сумма» технологических маршрутов типовых элементов формы. Таким образом, второй метод воплощает идею «от частного к общему».

Рассмотрим пример [6] нахождения технологического мар­шрута обработки внутренней цилиндрической поверхности, имеющей одностороннюю фаску и наружный плоский торец.

Метод базируется на типизации технологических процессов обработки отдельных элементарных поверхностей и элементов формы деталей. Это приводит к типизации технологических про­цессов обработки сочетаний элементов формы (комплексов).

На рис. 7 приведены примеры типовых элементов формы отверстий в корпусных деталях, обозначенных 001, 002,..., 010. Для каждого типового элемента формы можно указать технологический маршрут обработки (рис.8). При этом опера­ции, понимаемые как способы обработки, обозначают: 01 — засверливание, 02 — сверление, 03 — цекование, 04 — черновое зенкерование, 05 — продольное черновое растачивание, 06 — поперечное черновое растачивание, 07 — черновое растачивание "в лоб", OS — получистовое растачивание "в лоб", 09 — про­дольное черновое растачивание с врезанием, 10 — зенкование, 11 — зенкерование, 12 — резьбонарезание, 13 — торцевое зенке­рование, 14 — продольное получистовое растачивание, 15 — попе­речное получистовое растачивание, 16 — продольное получисто­вое растачивание с врезанием, 17 — протягивание, 18 — второе продольное получистовое растачивание, 19 — развертывание, 20 — второе развертывание, 21 — продольное чистовое растачи­вание, 22 — поперечное чистовое растачивание, 23 — раскатыва­ние, 24 — хонингование.

Каждой операции соответствует определенный квалитет точности и шероховатости. Чем больше номер операции, тем выше точность и чистота обработки.

Комплекс обрабатываемых плоскостей (рис. 8, а) может быть представлен, как сочетание типовых элементов форм 001, 003 и 008, показанных на рис. 7. Для каждого типового элемента формы известен технологический маршрут (рис. 8, б), который описывается следующим образом: номер перехода, номер типо­вого элемента, номер операции. Для типового элемента 001 получаем: 01 001 01; 02 001 02; 03 001 11; 04 001 19.

Аналогично, для типового элемента 003 имеем: 01 003 10

Для типового элемента 008:

01 008 03; 02 008 15; 03 008 22.

Каждый технологический маршрут, соответствующий типо­вым элементам 001, 003 и 008, может быть изображен ломаной линией, проходящей через точки, абсциссами которых являются номера переходов, а ординатами — номера операций (рис. 8,в).

Синтез технологического маршрута обработки заданного комплекса поверхностей осуществляется следующим образом: узловые точки каждого технологического маршрута, показан­ного на рис. 8, б, проецируют на вертикальную ось 00. Получен­ную последовательность точек, расположенных на этой оси, нумеруют последовательно 01, 02,..., 08. Эта нумерация перехо­дов технологического маршрута обработки комплекса исполь­зуется для нахождения узловых точек маршрута (рис. 8,в). Для этого из каждой пронумерованной точки на вертикальной оси 00 проводят горизонтальную линию до пересечения с верти­кальной линией, помеченной тем же номером, т.е. из точки 01 — до вертикали 01, из точки 02 — до вертикали 02 и т.д. Соединив точки пересечения, получают ломаную линию, соответствующую искомому технологическому маршруту:

01 001 01; 02 001 02; 03 008 03; 04 003 10, 05 001 11; 06 008 15; 07 001 19; 08 008 22.

Таким образом, получаем технологический маршрут: засверливание — сверление — цекование — зенкование — зенкерование — поперечное получистовое растачивание — развертыва­ние — поперечное чистовое растачивание.

Наиболее универсальным, перспективным и экономичным способом автоматизированного нахождения всех возможных известных решений является применение таблиц решений. Эти таблицы концентрируют профессиональные знания специалиста, формируются на основе логической операции "ЕСЛИ..., ТОГ­ДА..." и по своей сущности полностью формализованы.

Общая схема формализованного получения решения, приме­няемая в АП, такова:

ЕСЛИ Х₁, И ЕСЛИ Х₂, И ЕСЛИ..., И ЕСЛИ Х_п ТОГДА

Y₁ И/ИЛИ, ТОГДА У₂, И/ИЛИ, ТОГДА, И/ИЛИ, ТОГДА Y_m.

где X₁, X₂,.... Х_п — причины (условия); Y₁, У₂, … Y_m — следствия.

Например:

ЕСЛИ МАТЕРИАЛ ДЕТАЛИ - ЧУГУН И ЕСЛИ ОТВЕРСТИЕ ПРЕД­ВАРИТЕЛЬНО НЕ ОБРАБОТАНО, И ЕСЛИ ДИАМЕТР НЕ БОЛЕЕ 40 ММ, И ЕСЛИ ТОЧНОСТЬ НЕ ВЫШЕ 6-го КВАЛИТЕТА, И ЕСЛИ ШЕРОХОВА­ТОСТЬ БОЛЕЕ 2 ММ, ТОГДА ПРИМЕНИТЬ МАРШРУТ № 1.

Входные данные таблицы охватывают все возможные сочета­ния значений параметров начальных условий, либо вариантов выбираемых факторов, а выход (результат) таблицы содержит все решения, каждое из которых соответствует определенной (заранее известной) совокупности входных данных.

Так, пусть необходимо найти технологический маршрут для обработки гладкой внутренней цилиндрической поверхности[6].

Известны начальные условия: материал — чугун, отверстие предварительно не обработано, его диаметр 20, точность — по 5-му квалитету, шероховатость Rz = 3 мкм. Этот случай являет­ся одним из 72 случаев, которые охватывают все возможные совокупности входных данных, показанные на рис. 9.

В соответствии с рисунком сформирована таблица решений (табл. 1), охватывающая все 72 возможных сочетания входных данных. Принято двухзначное кодирование каждого из всех параметров начальных условий и каждого решения. Это означа­ет, что использованы логические величины, имеющие только два значения: 1 (истина) и 0 (ложь). Например,

Решение, имеющее ј-й номер, следует принять тогда, когда подстановка значений параметров х, описывающих конкретное сочетание входных данных в определенном образом составлен­ное выражение вида

У_j = х

( - логическое произведение всех х, фигурирующих во входной части таблицы), даст единицу. В частности, имеем для решения № 1

аналогично для всех остальных решений. Здесь символы х (без черты) — единицы в соответствующей ј -й строке таблицы, а сим­волы х (с чертой) — нули в той же строке.

Если в выражение для у₁ подставить значение параметров х, характеризующих рассматриваемый вариант (см. первую строку таблицы), а именно: x₁₁ = 1, х₁₂ = 0, х_г1 = 1, x₂₂ = 0, x₃₁ = 1, x₃₂ = 0, x₄₁ = 1, x₄₂ = 0, x₄₃ =0, x₅₁ =1, x₅₂ =0, x₅₃ =0, то с учетом того, что = 1, если х = 0, получаем y₁ =1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 = 1.

Таким образом, если для заданных входных данных получаем, что у_j = 1, это значит, что должно быть выбрано j-a решение. Если у_j = 0, то это означает, что j-e решение не подходит.

Естественно, что для сочетаний разных входных данных может быть получено одно и то же решение и для одного сочетания входных данных может быть получено несколько альтернативных решений.

Таблицы решений составляют для всех типовых случаев обработки (т.е. они имеют так называемую замкнутую форму), хранят в памяти ЭВМ и пополняют или корректируют по мере того, как возникают либо новые варианты входных данных, либо новые решения.

На примере табл. 1 удобно рассмотреть особенности алгорит­мизированных проектных процедур:

1.Каждая процедура имеет наименование (в рассмотренном случае "Применение таблицы решений").

2.Четко сформулирована цель процедуры (в данном слу­чае — "Нахождение технологического маршрута обработки глад­кой внутренней цилиндрической поверхности").

3.Достаточно подробно описаны все входные данные (в дан­ном случае — параметры начальных условий: материал заготовки и пр. — и все их возможные значения: материал заготовки либо чугун, либо алюминий, аналогично для прочих параметров).

Содержание заголовков столбцов табл. 1- словесные формулировки (общее описание входных данных), каждая из строк — конкретный набор (сочетание) значений параметров. Они описывают каждый из 72 возможных сочетаний этих зна­чений (см. рис. 9). Входные данные закодированы.

4.Алгоритм представлен в виде схемы, таблицы или в какой-либо другой наглядной и однозначно понимаемой форме. В рассматриваемом случае табл. 1 содержит данные, которые позволяют найти все выражения вида у_j = х, истинное (т.е. единичное) значение которых соответствует факту: "Для дан­ных начальных условий можно принять j-е решение".

Поиск решения состоит в следующем: для конкретного набора значений параметров х₁₁, х₁₂, —, х₅₃ последовательно находят значения всех выражений вида у_j =/\ х, j = 1,2,..., 72. Принимают те решения, которым соответствует y_j = 1.

Таблице решений (табл. 1) взаимно однозначно соответст­вует схема алгоритма (рис.10).

Каждое сочетание значений входных параметров (в данном случае — соответствующее первой строке табл. 1) с помощью алгоритма (рис. 10) последовательно проверяют на соответствие ряду логических условий, в результате чего делается вывод о том, какое решение соответствует данному сочетанию.

5.Описаны все выходные переменные. В данном случае кроме номера решения (т.е. номера технологического маршрута) указываются те операции, из которых состоит этот маршрут.

6.Указаны, какие результаты проектирования и в каком виде должны быть выведены на экран дисплея или на печать для контроля и анализа. В данном случае целесообразно вывести совокупность входных данных (в натуральном, т.е. декодированном виде) и все те решения, которые возможны для этой совокупности. Альтернативные решения должны быть под­вергнуты дальнейшему анализу для выбора из них наи­лучшего.

7.Указаны способы проверки правильности кодирования входных данных, функционирования алгоритма и т.д. В данном случае правильность кодирования проверяется следующим образом: всегда, если x_ki = 1, то все остальные х_{к т≠1} =0. Например, если x₁₁ =1, то должно быть ₁₂ = 0, или если x_s1 = 1, то должно быть ₅₂ = 0 и ₅₃ = 0;- во всех выражениях вида у_j = х должно фигурировать по 12 сомножителей; для условий каждой строки должно подходить хотя бы одно реше­ние, т.е. хотя бы один y_j = 1.

В результате получают файл 9.2 (см. рис. 4, б) всех воз­можных решений.

Модуль 7 (см. рис. 4, б) обеспечивает расчет значений всех критериев, которые характеризуют каждое из возможных реше­ний. Естественно, что эти значения — следствия как параметров (начальных условий), так и вариантов факторов, фигурирую­щих в полученных решениях.

Например, если надо определить число станков а-го назна­чения, обеспечивающих годовую программу, то используют формулу

M_a = QMODQ_a + 1

где Q — годовая программа, Q_a — фактическая производитель­ность а-го станка, QMODQ_a — целое от деления Q на Q_a, а при­бавление единицы означает, что результат округляется до ближайшего большего целого.

Очевидно, что значение Q задано организационно-экономи­ческими начальными условиями, а значение Q_a зависит и от технологических начальных условий (например, геометрических свойств деталей, количества обрабатываемых, поверхностей, требований к точности и чистоте обработки и т.д.), и от получен­ного решения (например, от уровня концентрации операций).

В результате получают файл 9.3 (см.рис. 4, б), в котором представлены все возможные решения, описанные с точки зре­ния их эффективности и стоимости.

Модуль 8 (см. рис. 4,5) обеспечивает оптимизацию, т.е. ана­лиз всех решений. При этом находятся все допустимые решения, т.е. решения, удовлетворяющие всем конечным условиям; среди допустимых решений выявляется наилучшее, т.е. оптимальное решение.

Целесообразность, т.е. необходимость и возможность опти­мизации возникает тогда, когда возможно несколько альтерна­тивных вариантов решений и имеет место конфликтность ситуации, заключающаяся в том, что при переходе от одного варианта к другому одни критерии улучшаются (например, повышается надежность), а другие ухудшаются (например, возрастает покупная цена), но существует некий обобщающий критерий, который позволяет численно обосновать окончатель­ное предпочтение одного решения другому.

Рассмотрим, например, задачу оптимизации режимов реза­ния (рис. 11,а). Можно выбрать один из пяти вариантов, т.е. искомая величина — скорость резания х — может иметь одно из пяти значений. От этого зависит, во-первых, длительность рабо­чей операции резания F_t(x), которая тем меньше, чем больше скорость резания х, во-вторых, удельные (т.е. отнесенные к единице продукции) затраты времени на смену износившегося инструмента F₂(x), которые тем больше, чем больше скорость резания х. Полагая, что остальные составляющие штучного времени совсем или почти не зависят от скорости резания х, получаем, что минимум составляющей штучного времени, зависящей от скорости резания F (х) = F_t(x) + F₂(x), будет иметь место при скорости х₄, которое и является оптимальным значением x_opt.

Общая постановка задачи оптимизации такова: выбрать такие значения (варианты) всех х рассматриваемых искомых переменных величин (факторов) х_х, х₂,.... х_п, чтобы, во-пер­вых, выполнялись все т ограничений, в общем виде записыва­емых как

где bj — пороговые значения частных критериев, j = 1,2,.... т, а во-вторых, обобщающий критерий — критерий оптимальности — достигал экстремума (т.е. максимума или минимума):

В практике САПр чаще всего рассматривают две основные разновид­ности постановки задачи оптимизации: