Описание моделируемых событий

Структурно-логическая схема синтеза системы

Нередко в литературе синтез представлен как процесс соединения частей в целое. В качестве частей подразумеваются объекты. Однако как формировать объекты, какими свойствами они должны обладать, каким способам реализации функций должны соответствовать – ответы на эти вопросы найти довольно трудно. Отмечается, что «хотя и существуют общие закономерности построения моделей информационных систем, процесс их построения не может быть строго формализованным и в значительной мере является искусством».

При выборе рациональных вариантов сложных объектов предлагается применять структурно-логическую схему формирования этих объектов. Она позволяет с достаточно высокой степенью абстракции получать множество вариантов функционально-структурных решений системы и выбирать из них лучшие. Элементы системы, блоки могут выбираться исходя из имеющихся в наличии или перспективных разработок. Возможно использование разработок, оформленных в виде изобретений (патентов).

Структурно-логическая схема может быть представлена как иерархическая структура со связями между элементами внутри каждой иерархической ступени и между ступенями. Каждую ступень можно рассматривать как взаимно связанные наборы классификаторов средств и способов их взаимодействия, которые соответствуют исходным данным и признакам других элементов системы, имеющих связи с элементами данной ступени (рис. 4.1).

Разработка структурно-логической схемы при синтезе сложных объектов для конкретной задачи производится последовательно, начиная от сбора данных, от ступени к ступени. Каждая последующая ступень имеет обратные связи с предыдущими ступенями. Эти связи учитывают взаимное влияние различных факторов внутри ступени и между ступенями. Количество ступеней зависит от сложности объекта и степени его детализации. Их количество должно быть минимальным, обеспечивающим достаточную точность решения задачи. Одним из условий выбора новой ступени иерархии является наличие качественных отличий от других ступеней. Классификационными являются основные признаки, характеризующие элементы системы и имеющие связи с другими элементами. Системность подхода при разработке схемы позволяет учитывать наиболее важные связи между элементами.

Эти условия дают возможность ограничить значительное число возможных вариантов решения. Окончательный вариант проверяется по критериям оптимальности (экономическим, технико-экономическим и др.) и затем уточняется.

На рис. 4.1. представлен пример применения информационной модели в виде структурно-логической схемы синтеза технологических модулей, гибких комплексов.

Каждая ступень иерархии реализует свою цель, которая обеспечивает требуемую направленность действий для получения конечного результата, а также определяет состав способов и средств осуществления взаимосвязей элементов данной ступени иерархии. Цели ступеней иерархии взаимосвязаны (имеет место определенная система целей), однако сочетание критериев, характеризующих оптимальный вариант решения, для ступеней может различаться.

В данном примере применительно к станочным комплексам задача ставится таким образом: найти оптимальные (по экономическим критериям) схемы компоновки технологических модулей (гибких комплексов), обеспечивающих получение заданного множества готовых деталей из соответствующего множества заготовок. В данном случае множество заготовок рассматривается также как заданное.

Однако при необходимости можно предусмотреть дополнительную ступень средств и способов получения соответствующего множества заготовок. Задача может быть расширена аналогичным образом и в другую сторону, и тогда она может оканчиваться поиском оптимальных компоновочных решений не для технологических модулей, а для более крупных подразделений (участка, цеха, предприятия).

Одна из промежуточных ступеней функционально-структурной схемы синтеза в расширенном варианте представлена на рис. 4.2.

Функционально-структурная схема построена на основе системного подхода, где отражены следующие ступени перехода: цельфункция способы и средства реализации функций параметры и связи. Каждая цель достигнута с помощью различного числа функций, а каждая функция – путем использования множества способов и средств.

Поскольку имеется возможность получения большого количества вариантов средств, а возможно и способов, с помощью которых может быть осуществлена некоторая функция, необходимо построение классификаторов способов и средств. Разработка классификаторов – этап творческой работы конструктора и технолога. Задача заключается в обосновании минимального количества характеристик, параметров элементов объекта, достаточного для решения задачи с требуемой точностью. Количество характеристик элементов во многом определяет в дальнейшем размерность задачи.

При анализе систем ступени иерархии рассматриваются в последовательности – от сложного к простому, при синтезе – от простого к сложному. Количество ступеней в схеме определяется числом уровней качественных изменений при переходе от одной ступени к другой и зависит во многом от постановки задачи. Разработчик, исходя из своего опыта, обычно довольно легко намечает границу перехода к новой ступени. В некоторых случаях возможно объединение двух и более ступеней в одну, если эти уровни определены по количественным, а не по качественным признакам.

Можно решать задачи с множеством неизвестных на каждой ступени или на отдельных ступенях. При количестве ступеней, превышающем пять, размерность задачи может быть очень большой, что приведет к значительным трудностям даже при применении вычислительной техники.

Поэтому разработчик должен заранее ориентировочно оценить степень сложности решаемой задачи и своевременно привести ее в соответствие с достижимыми возможностями.

И прежде чем остановиться на конкретном примере синтеза системы, необходимо ответить на такой вопрос: с какой стороны деятельности необходимо начинать процесс синтеза?

Известно, что каждая система реализует разные стороны деятельности. Каждая сторона деятельности соответствует выполнению некоторого процесса. Процесс начинается на уровне взаимодействия элементов системы при реализации некоторой важной функции.

Например, для транспортных объектов такой важной функцией может быть функция преобразования или получения энергии, необходимой для их перемещения. Для механической обработки деталей главная функция определена взаимодействием инструмента с деталью. Чтобы реализовать это взаимодействие, необходимо выполнить ряд вспомогательных функций, которые реализуются набором соответствующих средств.

Однако разные функции имеют разную значимость для системы. Появление новых функций, необходимых для реализации, определяется техническим заданием.

При реализации некоторой части процесса возникают качественно новые признаки, появление которых определяют момент перехода на новый иерархический уровень.

Рассмотрим схему на рис. 4.1 более подробно. При большой номенклатуре деталей необходимо упорядочить множество заготовок, из которых будут изготовлены детали, т.е. представить эти множества в виде классификаторов с соответствующими признаками.

Классификатор заготовок

Рис. 4.1. Структурно – логическая схема синтеза технической системы (начало)

На очередной ступени преобразования множества заготовок во множество деталей нужно определить способы и средства, обеспечивающие удаление припусков с заготовок.

Взаимосвязи признаков. Цель – реализация взаимодействия инструмента с заготовкой.

Удаление припусков надо осуществить с заданной точностью, допустимой шероховатостью, с требуемым взаимным расположением элементов на детали и т.д. Функцию удаления припусков можно реализовать различными способами и средствами. В общем случае таких возможностей достаточно для того, чтобы построить классификаторы способов и средств. На основании анализа признаков выбранных способов и средств удаления припусков ставится цель – реализация взаимодействия инструмента с деталью.

Взаимосвязи признаков. Цель – реализация взаимодействия инструмента с заготовкой.

Рис. 4.1. Структурно – логическая схема синтеза технической системы (продолжение)

Функцию осуществления относительных движений в системе «заготовка – инструмент» можно обеспечить различными способами и средствами. Например, способы удаления припусков с заготовки с помощью процесса резания, электрохимическим способом, с применением лазерной техники и др. При выборе способа снятия припусков с заготовки можно остановиться на процессе резания, причем в качестве средств выбрать резец, фрезу, сверло и др.

Рис. 4.1. Структурно – логическая схема синтеза технической системы (окончание)

Можно разными способами обеспечить взаимодействие инструмента с деталью: деталь неподвижна – инструмент выполняет все движения, инструмент неподвижен – деталь находится в движении. Возможны варианты с одновременными движениями инструмента и детали. Так рассматриваются варианты для каждой поверхности любой детали. Каждому варианту способу реализации функции может соответствовать множество вариантов средств, конструктивных решений.

Рис. 4.2. Фрагмент структурно-логической схемы

Цель следующей ступени – осуществление цикла отдельных операций. При достижении этой цели следует учитывать выполнение функций, связанных с обеспечением уже не только основных, но и вспомогательных движений. Естественно предположить, что возможны разные варианты сочетаний основных и вспомогательных операций, различные способы и средства их осуществления. Упорядочение способов и средств производится путем составления классификаторов по соответствующим признакам. Оно может привести к значительному ограничению количества вариантов, чему во многом способствует рассмотрение взаимосвязей не только между элементами данной ступени, но и между ступенями (на рис. 4.1. эти связи не показаны). Взаимосвязи определяются прежде всего исходными данными, требованиями, ограничениями технического задания на разработку системы, а также характеристиками, признаками элементов разрабатываемой структуры.

На предпоследней ступени схемы, представленной на рис. 4.1, достигается цель – осуществление цикла выполнения группы операций. Речь идет о функциональных возможностях выполнения основных и вспомогательных операций для некоторой номенклатуры деталей.

Группа операций может охватывать, например, только механическую обработку (как в данном примере). Таким образом, на этой ступени рассматриваются способы и средства формирования технологических модулей, на которых осуществляется обработка заданной номенклатуры деталей.

Каждая ступень иерархии может иметь дополнительный объем подзадач, классификаторов, вариантов решений. Например, на второй ступени, в связи с реализацией относительных движений инструмента и заготовки, надо анализировать также способы и средства фиксации и зажима инструмента, детали, которые следует рассматривать во взаимосвязи с другими элементами.

Необходимость выполнения холостых движений инструмента заставляет искать пути увеличения диапазона частот вращения и подач, т.е. дополнительно расширять область характеристик и признаков проектируемых узлов. В результате соответственно изменится состав классификаторов.

На третьей ступени, при формировании агрегатов (ступень реализации способов и средств взаимодействия узлов при выполнении цикла обработки отдельных операций), нужно учитывать не только основные, но и вспомогательные движения. К последним относятся движения, связанные с загрузкой и разгрузкой деталей и инструмента, их ориентированием, фиксацией и зажимом. Отдельные функциональные блоки и группы блоков могут быть выполнены не только в виде традиционных станков с набором вспомогательных устройств, но и в виде различных сочетаний блоков, модулей для выполнения основных и вспомогательных операций.

Если средства выбираются лишь из существующих или имеющихся в распоряжении агрегатов, то может быть уменьшено количество ступеней, и классификатор средств будет представлять собой перечень агрегатов, которые могут быть использованы при решении данной задачи. Выбор ограничений на использование того или иного вида оборудования может заметно уменьшить объемы классификаторов.

На четвертой ступени формирования технологических модулей необходимо определять состав средств транспортирования деталей и инструмента, их накопления и хранения, управления взаимодействием различным оборудованием, входящим в модуль.

Количество вариантов решений зависит от объемов классификаторов на каждой ступени, а выявление оптимальных вариантов осуществляется с помощью выбранных критериев оценки.