автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение эффективности проектирования технологических процессов путем применения многокритериальной оптимизации

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования.

1.1 Обзор основных направлений в области оптимизации технологических процессов.

1.2 Анализ существующих алгоритмов и моделей оптимизации и их программного обеспечения.

1.3 Анализ существующих методов оптимизации.

1.4 Анализ структуры математических моделей оптимизации.

1.5 Выводы по главе 1.

1.6 Цели и задачи исследов&ния.•л

Глава 2. Математическое обеспечение двухуровневой многокритериальной оптимизации.

2.1 Систематический поиск в многомерных областях.

2.2 Построение ЛПт-последовательностей.

2.3 Выбор ограничений.

2.4 Выбор параметров.

2.5 Пространство критериев.

2.6 Эффективные точки.

2.7 Выводы по главе 2.

Глава 3. Алгоритм двухуровневой оптимизации.

3.1 Основной цикл оптимизации.

3.2 Второй этап оптимизации.

3.3 Выводы по главе 3.

Глава 4. Программное обеспечение для проведения многокритериальной оптимизации.

4.1 Описание интерфейса программного обеспечения и модели.

4.2 Описание пакета.

4.3 Ввод исходных данных.

4.4 Проведение испытаний.

4.5 Анализ результатов.

4.6 Выводы по главе 4.

Глава 5. Математическая модель оптимизации.

5.1 Формирование математической модели.

5.2 Выбор исходных данных.

5.3 Проведение расчетов.

5.4 Анализ результатов оптимизации.

5.5 Выводы по главе 5.

Одной из актуальных проблем современного машиностроения является сокращение сроков создания новых изделий высокого качества. Этой задаче отвечает разработка методов автоматизации проектирования технологических процессов с оптимизацией их параметров. Проблема оптимизации осложняется тем, что на практике необходимо обеспечение, как правило, многих требований и ограничений и учет особенностей каждой технологической системы.

Конкурентоспособность современного технологического оборудования, которая является одной из его главных характеристик, обеспечивается качеством изделий, сокращением сроков их проектирования и изготовления. На базе CALS технологии одним из возможных факторов для изготовления продукции необходимого качества является соблюдение принципа оптимальности на всех этапах проектирования жизненного цикла изделия и, в частности, оптимальных параметров технологической оснастки и процессов обработки заготовок в гибких производственных модулях как составляющей части технологического оборудования гибкого производства.

Оптимальные значения технологических параметров рассчитывают с учетом определенного критерия оптимальности, который зависит от комплекса накладываемых на систему ограничений.

В этом направлении было проведено значительное количество работ по выбору целевой функции и созданию автоматизированных методов расчета оптимальных параметров, опирающихся в своей основе на однокритериальную оптимизацию. 5

Известные работы по многокритериальной оптимизации, как правило, используют в своих моделях ограниченное число оптимизируемых параметров, так как увеличение их количества приводит к резкому возрастанию размерности задачи и усложнению математической модели. Однако, как показывает практика, при автоматизированном проектировании технологических процессов наблюдается тенденция непрерывного увеличения числа оптимизируемых параметров, доходящего в отдельных случаях до 100 и более.

В настоящее время для решения задач больших размерностей практически полностью отсутствуют методики многокритериальной оптимизации, в которых бы сочетались универсальность, обеспечивающая их широкое использование, и простота адаптации к конкретной технологической задаче.

Одним из путей решения оптимизационных задач является метод ЛПТ-поиска, предложенный проф. И.М. Соболем. Однако, его применение на практике требует дополнительных исследований по адаптации метода к рассматриваемому объекту и разработки инструментальных средств для его реализации. Поэтому возникает актуальная проблема разработки методологии, алгоритмического и программного обеспечения задач многокритериальной оптимизации.

Целью работы является повышение эффективности автоматизированного проектирования технологических процессов путем создания методики их многокритериальной оптимизации на основе объектно-ориентированной реализации математического аппарата ЛП-поиска.

Научная новизна работы заключается:

1. В разработке метода двухуровневой оптимизации, позволяющего производить расчеты в два этапа: при этом, на первом происходит 7

Общие выводы.

1. В результате выполненных исследований получено решение актуальной научной задачи, состоящей в разработке методики многокритериальной оптимизации технологических процессов на основе объектно-ориентированной реализации математического аппарата ЯП-поиска, позволяющей сократить время нахождения оптимального проектного варианта, исключить возможность его потери и увеличить точность расчетов.

2. Разработан метод двухуровневой оптимизации: на первом этапе определяют области оптимальных значений объекта; на втором - находят точные значения оптимальных параметров. При этом скорость получения оптимальных решений увеличивается в 2-10 раз.

3. Обоснована необходимость и осуществлено формализованное описание критериев оптимизации и системы ограничений, накладываемых на модель, что делает их инвариантными по отношению к оптимизационным задачам проектирования различных технологических процессов.

4. Предложенный в работе алгоритм оптимизации и разработанное программное обеспечение позволяют определить оптимальные для данных производственных условий параметры технологического процесса. Эффективность разработанной автоматизированной системы нахождения оптимальных вариантов была проверена при решении практической задачи многокритериальной оптимизации технологической операции, содержащей 7 критериев, 14 ограничений, 68 параметров.

5. Подтверждена целесообразность создания удобных для пользования специализированных интерфейсов, соответствующих стандартам Microsoft

119

Windows, облегчающих труд технолога-проектировщика и повышающих, тем самым, качество, эффективность и наглядность проектирования.

6. Создан набор встраиваемых plug-in модулей, обеспечивающих взаимодействие с другими пакетами программ и дающих возможность не прибегать к помощи квалифицированного программиста при решении оптимизационных задач, и реализована возможность его расширения.

7. Разработанный пакет программ позволяет не ограничивать количество циклов расчетов благодаря существованию возможности распределенных вычислений с использованием компьютерных сетей, реализации функции сжатия данных в процессе работы, выполнению циклов расчетов в пакетном режиме, не требующем вмешательства со стороны оператора. Созданное программное обеспечение, используя многозадачность операционной системы, позволяет решать оптимизационные задачи с неограниченным количеством критериев и ограничений.

8. Разработанные методы оптимизации целесообразно рекомендовать для включения в систему автоматизированного проектирования технологических процессов в условиях как серийного, так и мелкосерийного производств.

120

1. Автоматизация проектно-конструкторских работ и технологической подготовки производства в машиностроении./Под общей ред. Семенкова О.И. Минск, «Вышейш. школа», Т.1. 1976.

2. Адаптивное управление станками. /Под ред. Балакшина Б.С. М.Машиностроение, 1973. 688 с.

3. Адаптивное управление технологическими процессами. /Соломенцев Ю.М, Митрофанов В. Протопопов С.П. и др. М.: Машиностроение, 1980. 536 с.

4. Артоболевский И.И. и др. Постановка и решение задач оптимального проектирования машин. Машиноведение, 1977. №5, с. 15-23.

5. Артоболевский И.И. Крейнин В. и др. Выбор оптимальных параметров машин с помощью многомерных таблиц испытаний. — Машиноведение 1973. №4 с.3-14.

6. Баранов Г.Г. О выборе допусков. Труды института машиноведения. М.: АН СССР 1956. вып.2.

7. Басин A.M. Разработка методики параметрической оптимизации технологического процесса изготовления сборочных единиц (на примере комплектов типа «втулка-вал»), /Кан. диссертация М. 19

8. Бойцов В.В. Автоматизация технологической подготовки производства. /Под ред. Н.М. Капустина. М.: Машиностроение, 1982. 330 с.

9. Бронштейн И.Н. Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд. исправленное. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит. 1986. 544с.

10. Васильев Г.Н. Автоматизация проектирования металлорежущих станков. М.: Машиностроение 1987. 287с.

11. Васильев Г.Н. Оптимальное проектирование станочных систем// Известия ВУЗов, 1987. №10, с. 142-153.

12. Гатаев Г.К. Аналитический метод определения наиболее выгодных режимов резания. М.Машиностроение, 1969. №11, с.31-33.

13. Геминтерн В.И. Каган Б.М. Методы оптимального проектирования. -М.: Энергия, 1980. 160с.

14. Гильман A.M. Брахман J1.A. и др. Оптимизация режимов обработки на металлорежущих станках. М.: Машинстроение 1972. 188с.

15. Гинберг A.M. Грановский Ю.В. Федотова Н.Я. и др. Оптимизация технологических процессов в гальванотехнике. М.: Машиностроение, 1972. 128с.

16. Гладков Д.И. Оптимизация систем неградиентным случайным поиском. М.: Высшая школа, 1983. 228с.

17. Горанский Г.К. Расчет режимов резания при помощи ЭВМ. Минск, 1963. 192с.

18. Грановский Г.И. О методике исследования и назначения режимов резания на автоматических линиях. //Вестник машиностроения. 1965. №10, с. 41-43122

19. Гринкевич B.K. Медник А.И. и др. О выборе оптимальных параметров машин в многокритериальных задачах. /В кн.: Моделирование задач машиноведения на ЭВМ. М.: Наука 1976. с.17-26.

20. Демидова Н.М. Определение оптимального варианта обработки деталей. //Вестник машиностроения 1969. №8 с.40,41

21. Дерябин А.Л. Метод расчетов режимов резания при помощи ЭВМ. //Стандарты и качество, 1966. №6, с. 79-82.

22. Диалоговое проектирование технологических процессов. /Капустин Н.М. Павлов В.В. Козлов Л.А. и др. М.: Машиностроение, 1983. 275с.

23. Дунаевецкий A.B. Оптимизация параметров точности при неполной взаимозаменяемости. //Вестник машиностроения. 1977. №1 с33-35.

24. Зайцева В.В. Повышение эффективности работы ГПМ путем дискретного уточнения оптимизационной модели процесса обработки./Канд. диссертация, М.1993.

25. Зверев И.А. Многокритериальное проектирование шпиндельных узлов на опорах качения. /Докт. диссертация М. 1997.

26. Инженерные расчеты на ЭВМ: Справочное пособие/ под ред. В.А. Троицкого Л.: Машиностроение, 1979. 288с.

27. Калверт Ч. Программирование в Windows. Пер. с англ. М.:БИНОМ, 1995. 496с.

28. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука 1978.

29. Капустин Н.М. Разработка технологических процессов обработки деталей на станках с помощью ЭВМ. М.: Машиностроение, 1976. 287 с.

30. Каяшев А.И. Митрофанов В.Г. Схиртладзе А.Г. Методы адаптации при управлении автоматизированными станочными системами. -М.Машиностроение 1995. 240с.

31. Конторович Л.В, Горстко А.Б. Оптимальные решения в экономике. М.:, Наука. 1972. 96с.

32. Косов М.Г. Моделирование точности при автоматизированном проектировании и эксплуатации металлорежущего оборудования. /Докт. диссертация М. 1985.

33. Кронеберг М. и др. Расчет и анализ стоимости и производительности операций механической обработки. // Конструирование и технология машиностроения. М.: Мир. 1968. №4, 1969. №3.

34. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976, 278с.

35. Маталин A.A. Технология механической обработки. Л.: Машиностроение, 1977, 464с.

36. Маталин A.A. Рысцова B.C. Точность, производительности и экономичность механической обработки. М.-Л.: Машиностроение 1963.

37. Матусов И.Б. Статников Р.Б, Принятие оптимальных решений на основе таблиц испытаний. /В кн. Динамические характеристики колебаний элементов энергетического оборудования. М.:Наука. 1980. с.21-29.

38. Митрофанов В.Г. Связи между этапами проектирования технологических процессов изготовления деталей и их влияние на принятие оптимальных решений. /Докт. Диссертация М. 1980.124

39. Митрофанов В.Г. Оптимизация технологического процесса (Внутриструктурная). //В сб. Оптимизация технологических процессов механосборочного производства. Материалы конференции М. Мосстанкин 1978. с.36-43

40. Мордвинов B.C. Оптимизация допусков на технологические размеры. //В кн. Сборник трудов механико-технологического факультета Омского политехнического института. 1972.

41. Новиков М.П. Основы сборки машин и механизмов. М.:Машинстроение 1979.

42. Оптимизация технологических процессов механической обработки и сборки в условиях серийного производства. Соломенцев Ю.М. Басин A.M. М.: НИИМаш. 1977. 72с.

43. Основы технологии машиностроения. Под ред. Корсакова B.C. — М.: Машиностроение, 1977гю, 416с.

44. Пляскин И.И. Оптимизация технических решений в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1982. 176с.

45. Подиновский В.В. Методы многокритериальной оптимизации. М.: Изд. ВИА им. Ф.Э. Дзержинского. 1971. вып.1.

46. Поляк Б.Т. Введение в оптимизацию. М.: Наука, 1983. 384с. (п17)

47. Понтрягин Л.С. Болтянский В. Гамкрелидзе Р.В. и др. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1976. 376с.

48. Проектирование станков и станочных систем, в 2-х т. /Под ред. A.C. Проникова М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана: Машиностроение, 1994,1995.125

49. Прогрессивные методы технологической подготовки серийного производства. Под ред. С.П. Митрофанова. Л.: Машиностроение, 1971. 304с.

50. Проников A.C. Программный метод испытания станков. М.: Машиностроение 1985. 288с.

51. Пуш A.B. Многокритериальная оптимизация шпиндельных узлов. // СТИН. 1987. №4 с.14-18

52. Пьюполо Д. OLE: Создание элементов управления: пер. с англ. К.: Издательская группа BHV. 1997. 432 с.

53. Расстригин Л.А. Случайный поиск в задачах оптимального проектирования.// В кн. Вопросы кибернетики. Ташкент, 1974. вып. 72, с.5-14.

54. Расстригин Л.А. Системы экстремального управления. М.: Наука 1974.

55. Резников Н.И. Использование ЭВМ для определения оптимальных режимов резания. // Вестник машиностроения 1966. N512 с.59-61.

56. Реклейтис . Рейвиндран А. Регсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн. 1./ Пер. с англ. М.: Мир, 1986. 349с.

57. Ростовцев A.M. Применение линейного и целочисленного программирования для экономической оптимизации допусков. В кн.: Взаимозаменяемость и технические измерения в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1972. вып.6 с.28-31.

58. Синельников A.A. Использование компьютера для многокритериальной оптимизации математических моделей технологическихобъектов.//Проектирование технологических машин. Вып. 17-М.:МГТУ «Станкин», 2000. с. 35-39.

59. Синельников A.A. Многокритериальная оптимизация математических моделей объектов.//Международный форум информатизации — 99. М.: Изд-во «Станкин», 1999. с. 188-189.

60. Синельников A.A. Статников Р.Б. Программное обеспечение многокритериальной оптимизации. // Труды научной конференции, МГТУ «Станкин». М.1999. 82с.

61. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973. 312с.

62. Соболь И.М. Многомерные квадратурные формулы и функции Хаара. М.: Наука, 1969.

63. Соболь И.М. Бесконечные равномерно распределенные последовательности в вычислительной математике.// Препринт. №22, М.:АН СССР 1974.

64. Соболь И.М. Левитан И.Л. Получение точек, равномерно расположенных в многомерном кубе. //Препринт. №40 М.'Институт прикладной математики 1976,

65. Соболь И.М. Статников Р.Б. ЛП-поиск и задачи оптимального конструирования. Сб. «Проблемы случайного поиска», Рига, 1972. №1, с. 117-135.

66. Соболь И.М. Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями, М.: Наука, 1981, 108с.

67. Соболь И.М. Статников Р.Б. Наилучшие решения где их искать. - М.: Знание 1982. 64с.127

68. Соломенцев Ю.М. Басин A.M. Методика оптимизации технологического процесса обработки деталей на станках.// Вестник машиностроения 1974. №6 с.62-66.

69. Соломенцев Ю.М. Оптимизация операций технологических процессов обработки деталей. В кн.: Адаптивное управление станками. М.: Машиностроение 1973. с.372-396.

70. Соломенцев Ю.М. Технологические основы оптимизации процесса обработки деталей на станках. /Докт. диссертация, М.1974.

71. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. /Под ред. А. Косиловой и Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1985. 656с.

72. Султан-Заде Н.М. Теоретические основы оптимизации структуры автоматических линий в системе автоматизированного проектирования. Автореферат. М.:Мосстанкин, 1982. 37с.

73. Танатаров P.A. Влияние некоторых технологических факторов на выбор оптимальных режимов резания. /В кн. Высокопроизводительное резание в машиностроении. М.: Наука, 1966. с. 63-71.

74. Тинн К.А. Тыугу Э.Х. Технология расчета на ЭВМ. М.: Машиностоение, 1968. 351с

75. Федоренко Р.П. Приближенное решение задач оптимального управления. М.:Наука. 1978.

76. Хофер Э. Лундерштедт Р. Численные методы оптимизации: Пер. с нем./ Под ред. Семенова В.В. М.: Машиностроение, 1981, 192с.