автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация начальных этапов проектирования станочных приспособлений

Волгоградский государственный технический университет

На правах рукописи

Дяабер Фахед Фаеэ

АВТОМАТИЗАЦИЯ НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАНОЧНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИИ '

Специальности: 03.13.12 - Системы автоматизации

проектирования

■Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 1993 г

Научный руководитель-докюр технических наук, профессор В.А. Камаев

Научный консультант-кандидат технических наук, доцент А.В. Андрейчиков

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.И. Аверченков,". доктор технических наук?, профессор Е.А.Духнич.

Ведуцее предприятие- Моторный завод, г.Волгоград. .

Запита состоится /¿ЛЯ^ИЭЗЗ года

в часов в аудитории/^ на заседании специализированного совета ВАК К 063.76.05. в Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400066, Волгоград, пр. Ленина 28.

• Автореферат разослан 27 ноября 1993 года.

кандидат технических наук.

специализированного совета

Ученый секретарь

о

ОБШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

с

Актуальность.

Внедрение и использование автоматизированных систем в проектирования является одним из аспектов ускорения научно-технического прогресса. Современный этап развития "систем автоматизированного проектирования'' . (САПР) характеризуется широким внедрением вычислительной техники нового поколения - персональных компьютеров, используемых индивидуально или в составе локальных сетей, объединяющих персональные компьютеры друг с другом и с другими ЭВМ. На этой технике используются и современные программные средства, позволяющие реиать большой круг задач при проектировании и технологической подготовки производства, в результате чего, в него, в качестве исполнителя все чаще вовлекается будущий непосредственный пользователь. Однако выбор концепции будущего изделия всегда оставался по-видимому долгое время будет "оставаться. прераготиЕой проектировщика. При этом возможная ошибка проектировщика в выборе концепции чревата существенными технико-экономическими потерями. Актуальна до сих пор не репейная задача обеспечения проектировщика набором программных средств. позволяющих обеспечить машинную поддернку начальных этапов проектирования, когда вырабатывается концепция будущего изделия. В настоящей работе ставится задача создания таких средств, ориентированных на применений при проектировании станочных приспособлений в машиностроении. САПР и технологическая подготовка производства позволяют существенно сократить срок подготовки производства. Для решения задачи используются методы искусственного интеллекта,а такне морфологический и функциональный анализ, ориентированные на использование в САПР. и методы автоматизированного синтеза технических решений при выборе конструктивных элементов станочных. приспособлений.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является разработка методов и

средств автоматизации начальных этапов проектирования и олробации их на конкретной области машиностроения при конструировании станочного приспособления. Достижение указанной цели предполагает решение следующих осносннх задзч;И

1. Системное исследование конструкции на яримере станочного приспособления с цр.чьи разработки инвариант них классификаций типов конструкции и описание конструктивных элементов.

2. Разработка инвариантной методики синтеза конструктивных и функциональных элементов станочного приспособления для использования в автоматизированных процедурах проектирования.

3. Разработка подсистемы • расчетов •основных параметров станочных приспособлений.

4. Разработка функционального анализа элементов изделий на примере станочных приспособлений.

5." Разработка системного ^нализа процессов механический обработки с целью формирования симптомов для создания экспертной системы, а такае для автоматизации расчетов параметров станочных приспособлений.

6. Использование созданного программного обеспечения для выполнения конструкторских разработокпо совершенствованию конструктивных элементов станочных приспособлений.

Основные методы исследования.

Для решения поставленных задач использованы методы системного анализа и синтеза, методы искусственного интеллекта, методы Функционално-стоимостного анализа,морфологический анализ и синтез для выбора наиболее эффективных технических решений.

Автор зачищает:

1°. Новый метод представления знаний инженеров-технологов, нормировщиков труда и материалов, основанный на методах $ункционално-стоииостногс анализа и метода морфологического анализа в САПР началььных этапов проектирования станочных приспособлений.

2. Программное обеспечение "ЭСБР" экспер.ная система по

выбору станочных приспособлений, осуществляющая обработку инженерных знаний.

3. Методика мифологического анализа я выбора наиболее эффективных технических решений при проектировании станочных приспособлений.

4. Методика функционально-стоимостного анализа опробированные при модернизации станочных приспособлений.

5. Программное обеспечение "¿ТАЯРЛ" в которой содернатся автоматизированные расчета параметров станочнсго приспособления, а танге автоматизированная система ФСЙ при модернизации станочных приспособлений.

Основные научные результаты и новизна

Предлоче;--а методика автоматизации начальных этапов проектирования на примере станочных приспособлений с использованием методов экспертной системы, морфологического анализа, функционально-стоимостного анализа.

2. Разработана экспертная система по выбору рациональной систем« станочных приспособлений на системы МШЕХРЕКТ.

3. Применен метод синтеза технических реяений на основе морфологического анализа, для начальных этапов проектирования станочны:: приспособлений

4. Применен метод функционально-стоимостного анализа для модернизации станочных приспособлений.

5. Разработано программное обеспечение, подсистемы расчета станочных приспособлений:

-проводить процеди ОСА;

-автоматизировать расчет сил закрепления заготовки при ыеханичегкой ооработке;

-автоматизировать расчет погреиности обработки, связанный с неисправностями станочных приспособлений; -синтезировать конструктивные элементы в зависимости от заданных технических требований;

-оперативно выбрать тип станочных приспособлений при обработке технологического процесса механической обработки.

Практическая ценность.

Разработаная система может бить использована при создании новых. конструкций станочных приспособлений. Возможно использование системы при обучении студентов по следувщим дисциплинам: "Технология маыиностроения", "станочние приспособления", "экспертные системы". Разработанное на основе применения методов экспортной . системы, морфологического анализа и функционально-стоимостного анализа программное обеспечение позволяет существенно сократить срок технологической подготовки производства и повысить качество спроектируемых станочных приспособлений.

Реализация в учебном процессе.

На основе методов ФСЙ (функционально-стоимостного анализа) и СТР(синтез технических ряиений) й метода ЭС ка кафедре САПР и ПК Волгоградского государственного технического университета выполняются курсовые и дипломные работы. " Реализация в промышленности. Системы "БТАМРИ" и "ЭСБР" внедрены на арендном предприятии " Металлист" г.Волгочого. Внедрение системы позволило сократить срок технологической подготовки производства на начальном этапе проектирования станочных приспособлений, а также позволило оперативно решать задачу выбора станочных приспособлений при различных схемах механической обработки.

Апробация работы.

Основные полозения диссертационной работы докладывались и обсуядались на конференциях и семинарах ВГТУ, а так!е на научно-техническом семинаре "гибридные экспертные системы в задачах Ьроектироаания слоеных технических объектов" г. Санкт-Петербург 1992 г.

Публикации.

- о -

По результатам выполняемых исследований опубликовано 3 работ. Общий объен диссертации составляет страниц«, в том числе машинописный текст 1&0 страниц.21? рисунки,20 таблицы, литература,- прилояения.

КРАТКОЕ СОДЕРЯЙНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, формируется цель исследования и дана обцая характеристика работы.

В первой главе приведен обзор современного состояния-проблемы САПР начальных этапов проектирования на примере станочных приспособлений, анализируются характерные недостатки формализации технологической информации и синтеза конструктивных элементов и ставится задача разработки нового метода" автоматизации начальных этапов проектирования на основе функционального подхода применительно к аирококу кругу задач СйПРа, рассматривается суиествущие экспертные системы в различных областях и ставится задача построения ЗС по выбору станочных приспособлений, построена обцая схема автоматизации начальных этапов проектирования станочных приспособлений.

Описаны преимущества и недостатки различных критериев предлпненных разными авторами: О. Иоловинкиным, А.Г. Ракович. А.С. Пуховым, В.И. Аверченковын, Г.К. Гсранским. А.М. Дворянкиным, Г.С. Чумаковым и др.

Зо второй главе 'приводится описание разработанной экспертной системы по выбору станочных приспособлений для оперативного выбора ',ипа станочных приспособлений при учете различных условий, влияющих на принятче технических решений. Для этого проводятся исследования процесса механической обработки с целью формирования симптомов. ¡5. е. фактов, подтверждаемых или отвергаемых пользователем. являющихся

данными об обрабатывс1емой поверхности (конфигурации, габаритных размерах, точности обработки, типа производства), а также сведениями о станках,« имеющихся на предприятиях. Гипотезы, т. е. факты, выдаваемое ЗС как результат вывода, представляет собой различные виды универсальных приспособлений, используемых чаце всего ка станках. Для создания ЗС по выбору станочных приспособлений применялась ЭС байского типа, т. к. она имеет блок настройки (обучения) базы знаний. Блок обучения существенно облегчает построение ЗС. т.к. ошибки первоначального наполнения ЭС когут исправляться в процессе сеансов с опытным пользователем. Рассмотрена математическая модель базы знаний и принципы работы ЗС. База знаний ЗС сс:тоит из: Н=СН , .... Н )-гипотезы, Б=<Б ......5 )-симптомы,

и=(Х,и,р,р)-нагрукенный двудольный граф с вершинами, Х=Н1)$, дугами и и определенными на дугах графа вероятности р и р. Дуга графа 11( Б1) связывает 1-ый симптом и 1-ю гипотезу, т.е. соответствует правилу вывода 51-Нь На дуге иШ.Нр определяются I заранее при приспособлении базы знаний) условные вероятности:

р+П=рШ Л!з )-вероятнасть проявления симптома ?! при условии справедливости гипотезу Щ;

р-П'=р(51 ,Не,1П )-вероятность проявления симптома $1 пр"-условии, что гипотеза Нз' отвергнута.В ЗС также входит модель: Н: р=(р ,р ,...р) - априорные вероятности гипотезы. Априорные вероятности характерезувт частоту использования механизма работы ЭГ На риспредставлен алгоритм работ ЗС. Зкспертная система работает таким образом: выбирается, наиболее значимый симптсм по Формуле:

1= / рСЩ/з) - р(Н^/э) /

где 1й-ь\)мер гипотез связанных с симптомом, р

(Н}/$ )-вероятность проявления симптома справедлива гипотеза Н.

(Н)/8)-вероятность проявления симптома Б

если

если не

АЛГОРИТМ РАБОТЫ ЬС

H fi </МО

SbispfiTö wueof/ecz 3Hff'/c/Wù/û citn/nro/v

0<?дать вопрос по ЭТОМУ PltMrWlO/yy

Щ

'Получиmi oma em А от аользобятеля

P(H/R) dûff сипоте г // ezPoß-wocrs ßoeff

&ы"дАть РезуобГ&ть/ / и.Ф

I •

Q Нонец ^

(\>«с /;

справедлива гипотеза Н.

Экспертная система задает вопрос в диалоговом региме. а пользователь дает ответ в таком виде: т

(51 . г1 )....($! , г! _)

где -симптом, по которому задавался вопрос; г1-ответ пользователя.

(Нз .... К] : Н1 .... н1 : )

где Щ-подтвираденные гипотезы; Н1-отклоне..ные гипотезы.

оценки учителя. Результат работы ЭС - это выдать гипотезу, т.е., техническое решение по правилу подтверждения или отвервения гипотезы. Подтверкдение Нз: Р] > Р] + ( Р] - Рз) Отверкение 11): Р} < Рз - ( РЭ - Р} ) где - уровень значимости гипотезы; Р5. Р5 , РЗ -вероятности текущего, максимального, минимального гипотезы НЬ Вопросы пользователю задаются в виде высвечивания тексг/з соответствующего симптома. Требуется подтвердить или отвергнуть симптом. При этом ответ

пользователя дается в нечетной шкале: (-5, -4.....0,1, ....

4.5), где-5 означает "нет", 0- "не знаю", +5- "да". Показаны функциональные возмонности программного обеспечения ЗС, где ■все эти возмонности реализованы в диалоговом режиме, и не требуют специальных навыков в , программировании.-Взаимодействие с пользователем происходит с помощью ренина меню. База знаний ЭС по выбору станочных приспособлений состоит из 32 гипотез, 33 симптомов, 72 связей. На таб ( ) ■показаны фрагменты базы знаний ЗС. Проверка работы ЭС на различны:1. ' примерах показала, что построенная ЭС реиает следующие задачи:

-выдача технических решений технологу при выборе рациональной системы станочных приспособлений;

-обработка знаний технологов в области машиностроения, для

разработки концепции;

-проектирование изделий на начальных этапах проектирования. ЭС такзе hoïct иыользоваться в качестве обучаацих программ для студентов технических вузов.

В третьей гл^зе дано описание разработанных алгоритмов и расчетных программ для аэтоматизации расчетов и выбора конструктивных элементов станочных приспособлений. Разработанные расчетные модули построены на основе системного анализа процессов механической обработки. Существуют три расчетнь.; модуля: -"плоскость-плоскость" (рис) -"цилиндр-призма" -"цилиндр-цилиндр". Практическое •

использование предлагаемых модулей указало, что они охватывают преобладающее большинство схем закрепления. Определяются факторы, влияющие на величину силы закрепления заготовки H . которая является основной для выбора конструктивных элементов станочного приспособления. Составлены алгоритмы по выбору типа загимного устройства; типа силового механизма, типа привода. Составленная программа по расчету погреоности обработки связана с неисправностями станочного приспособления. Автомагизированнне расчеты в значителной степени сокращают срок ТПП (технологической подготовки производства), а такне; являются инструментом подготовки рекомендаций конструктору на начальном этапе проектирования. Автоматизированные расчеты станочных приспособлений реализованы в рамке системы "STflHPR", предназначенной для автоматизации . начальных этапов проектирования станочных приспособлений.Разработана программное обеспечение автоматизация расчетов силы закрепления при механической обработке, а такне расчет погрешности обработки, связанный с неисправностями станочных приспособлений. Программа написана языке TURBO PflSKflL и работает в диалоговом режиме.

В четвертой главе излогены методы и созданы программа морфологического синтеза и функционально-стоимостного анализа. Приведена классификация суцьствувщих методов морфологического синтеза. Рассматривался подробно все этапы по конструировании на И-или графах на примере станочных приспособлений. Для этого проводится анализ функций элементов

Pmemie шт для ттопения сит здтппения w

©

©

®

А

1-3

«

Z

г////!

Й>

W

M

(P«c-Z)

и узлов станочных приспособлений и строится 11-или граф, в который входят основные конструктивные элементы станочных приспособлений (см рис ). На графе показаны следукаде конструктивные элементы:

3-10 : Все типы суцествуйцих приводов (пневматический, гидравлический, пневмо-гидровлический, электроприводы и т.д.).

13-13 : Простые силовые механизмы (цанговый, клиповый, винтовой, рычагный и т.д.).

20-23 . Комбинированные силовые механизмы (клино-плунаерный.

рычажный, шарнирный и т.д.).

25-27 : Корпусы (литой, сварной, сборннйР.

29-32 : Фиксаторы (цилиндрический,призматический,

конический).

35-33 : Установочный элемент (опора, опора призма, опора пластина и т.д.).

42-54 : 'Ориентирующие и самоце.чтр'ируааде механизмы.

5Б-58 : Механизмы для закрепления и подъема поворотной ч* ;ти

приспособления.

60-63 : Направлявшие.

65-69 : Установы.

Формируются такзе технические требования для создания матрецн соответствие конструктивных элементов и технических требований, степень соответствия меаду всеми конструктивными элементами и механическими требованиями, установленные методом экспертной оценки. Показаны общие характеристики метода Функционально-стоимостного анализа (ФСА), проводятся все процедуры ССА на примере станочных приспособлении. На первом этапе ФСА выбирается объект анализа в зависимости от: программы выпуска изделий, себестоимости, рентабельности, трудоемкости, количества конструктивных элементов. На втором этапе ФСА формируется информационная база ФСА. Для этого ошхываится технические функции, реализуемые в техническом объекте, а такзе сведения о стоимости функциональных узлов. Проводится аналитический этап ФСА , на котором делятся функции объекта на гласные, основные, вспомогательные и ненуккие. Строится функциональная схема объекта, на рис ( )

Рис.V Функциональная схемд станочного оборудования

- 14 -

показана функциональная схема станочных приспособлений. На первой уровне показаны главная и второстепенная функции, на третьем уровне показаны вспомогательные функции.

На этой этапе также проводятся исследования объекта по следующим пунктам:

-сведения о научно-техническом уровне; -заданные потребительские свойства изделий; -требования эксплуатации; -затраты на изделие;

-затраты на отдельный функции, реализованные различными способами;

-характеристики конкурентноспособности изделий 'данного класса;

-требования по унификации (стандартизации) технических решений, узлов и деталей,

■Конечная цель проведения ФСЛ - подготоьить рекомендации пользователи для улучшения технических реиекий принятых в конструкция. Все процедуры автоматизируются в рамке системы "$ТЙЙРК", реализация этой программы позволяет: -выдать рекомендации конструктору по конструированию и модернизации станочных приспособлений на начальном этапе проектирования;

-сокращать срок технологической подготовки производства засчет автоматизации процедур ФСР;

-активизировать творческое мышление конструктора, технолога в области машиностроения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленными целями получены следующие результаты:

1, Построена ооцая схема автоматизации начальных этапов проектирования станочных приспособлений, аналогичнуо схему можно строить для других технических объектов.

2. Реализована экспертная система диагностического типа. Создана методика формирования°сшпомов и гипотез и связь аенду ними на примере станочных приспособлений. 'Реализованная ЭС позволяет оперативно принимать решение по выбору класса

приспособления на начальном этапе проектирования.

3. Лредлояснная подсистема автоматизации расчетов и выбора конструктивных элензнтов станочных приспособлений позволяет вырабатывать рекомендации по проектируемому объекту изначальном этапе проектирования, а также уменьшает срок технологической подготовки производства.

4. Разработана матрица соответствия конструктивных элементов и технических требований. На основе метода морфологического синтеза, на примере станочных приспособлений разработана функциональная модель узлов станочных приспособлений, основанная на делении конструктивных узлов на различных уровнях в зависимости от функциональных назначений. Реализована программная система автоматизирующая процедуры . метода функционально-стоимостного анализа (ФСА),. что позволило разработать рекомендации конструктору на начальных этапах проектирования. Система моает быть использована для других технических объектов.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях Волгоградского государственного технического университета и в следующих публикациях:

1. Джабер Ф.Ф., Андрейчиков A.B. Экспертная система по выбору станочных приспособлений: Материалы семинара. Санкт-Петербург.: СПИТМО, 1992. с. 36-37.

2.Джабер с Ф.Ф., Андрейчиков A.B. Система функционально-стоимостного анализа станочных приспособления: Материалы семинара. Санкт-Петербург.: СПИТМО, 1992. с. 37-38.

3.Андрейчиков A.B.. Андрейчикова О.Н., Джабер Ф.Ф. Синтез новых технологических решений; Программные продукты и система" N 3. 1993. с. ¿3-й.

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете.