автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Создание компонентов системы автоматизированного проектирования технологических процессов щитовых элементов мебели на основе системы искусственного интеллекта

ИЗ

ЛЕНИНГРАДСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ им .С .М .КИРОВА

СОЗДАНИЕ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ШИТОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕБЕЛИ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕПЛЕКТА

05.21.05 - Технология и оборудование

На правах рукописи

БАТЫРЕВА Ирина Михайловна

деревообрабатывающих

производств;

древесиноведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград 1990

Работа выполнена в Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии им.С.М.Кирова на кафедра механической технологии древесины и древесных материалов.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцант Егоров В.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Деревицкнй Д.П.

- кандидат технических наук, доцонт Ветошкин Ю.И.

Ведущая организация - ЛенСПКТБ ШЛО "Севзахшебель'

Защита состоится " ОС-клхЗАл^ 1990 г. в II час. на заседании специализированного совета К 063.50.05 в Лесотехнической академии им.С.М.Кирова, 194018, Ленинград, Институтский аир., 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан " 1990 г.

Учений секретарь специализированного совета

' Р.И.Гуддев

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перед мебельной промшгаенностыэ стоят задачи увеличения объемов производства, коренного улучшения качества, систематического расширения ассортимента мебели для удовлетворения потребности всех групп населения, снижения удельного расхода сырья.

Определяющее значение а решении этих задач имеет совершенствование технологии мебельного производства, внедрение ресурсосберегающих технологий. Усложняющиеся конструкции изделий, требования, предъявляемые к качеству мебели и срокам внедрения новых изделий, требуют нового метода проведения технологической подготовки производства. Автоматизация процесса проектирования технологии сократит сроки проектирования, обеспечит 'повышение уровня и качества проектных работ при строительстве новых, реконструкции старых предприятий и освоении новых видов продукции.

Работа проводилась в рамках отх^аслевой программа работ по созданию автоматизированных систем проектирования на 1905-1990 года (приказ Мюкесбумпрош СССР Я 127 от 23.03.С5).

Цель работы. Разработка компонентов САПР ТП щитовых элементов мебели с целью уменьшения трудоемкости и улучшения качества процессов проектирования технологии.

Научная новизна рабо^ч. В отличие от нспользуешх в настоящее время методов автоматизированного проектирования технологических процессов предлагается новая методика использования системы искусственного' интеллекта дяя^систеш автоматизированного проектирования технологических процессов щитовых элементов мебели.

Разработала методика использования аппарата исчисления предикатов первого порядка для автоматизированного получения технологических маршрутов мебельных щитов. Произведена формализация описания щитовых элементов мебели я технологических операций о помощью аппарата математической логики. Разработай метод представления конструкторско-технологических групп щитов в виде локальных шояоств.

Получены математические модели технологического процесса щитовых элементов мебели, формирования конструкторски-технсло-гическлх групп, модель процесса проектирования технологии с

ломодао аппарата математической логики.

Практическая значимость работы. Разработанные компоненты системы автоматизированного проектирования технологических процессов щитовых элементов мебели обеспечивают проектирование в интерактивном режиме и получение эффективных технологических процессов, что позволит снизить трудоемкость процессов проектирования, позволит повысить качество и уровень проектирования ТП за счет более полного перебора вариантов технологии.

База знаний, основанная на системе искусственного интеллекта, дает возможность развивать и дополнять технологические знания системы непосредственно при внедрении (изобретении) новых материалов, технологий, оборудования без изменений структуры базы знаний. Это позволит постоянно поддерживать базу знаний в состоянии, адекватном уровни современной технологии мебели.

Апробация работа. Основные положения диссертации отражены в отчетах кафедры механической' технологии древесины и древесных материалов ЛТА им.С.М.Кирова (* IP.GI88Ü0599I6 ) за 198 г. и (Л ГР.01880Q599I6 ) за 1989 г., а также обсуждены на научно-техническом семинаре, проводимом Ленинградским домом научно-технической пропаганды 30-31 октября 1990 г.

Реализация результатов исследований. Осуществлена программная реализация разработанного алгоритмического обеспечения, ориентированная на персональную ЭВМ типа IBM. Промышленные испытания разработанных компонент САПР ТП щитовых элементов мебели проведены на производственном мебельном объединении "Нева" ТНПО "Севзалмебель". Экономический г@ект от внедрения компонент САПР ТП за счет только снижения себестоимости проектных работ составит 35,22 тыс.руб. при проектировании 20 технологических процессов в год.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 статьи.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, шести разделов 2 заключения, списка литературы и приложений, содержит //2 страниц основного машинописного текста, /2 оисун-

¿0 таблиц, список литературы насчитывает 98 наименований.

П. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснованна актуальности томи диссертации, излажена цель я задачи исследований. Формулируются тутыв положения, выносимые на защиту, излагается научная новизна работы, значимость ее результатов для науки и практики. Содержатся данные о месте проведения и апробации работы, структуре и объеме диссертации.

V первом разладе рассмотрены уровень техники и технологии производства щитовых элементов мебели, перспектива развития этой отрасли. В настоящее время внедрение новых конструкционных.материалов щитовой кэбели, разработки технологического оборудования обусловили многовариантность технологических процессов.

Проведенный анализ методов проектирования технологии показал, что технологическое проектирование характеризуется объективной направленностью, многовариантностью возможных решений, много-уровневостью, итеративностью, управляемостью, зависимостью от человеческого фактора. Зависимость качества и скорости выполнения проектных работ от таких субъективных факторов, как квалификация, компетентность проектировщика возрастает вследствие умо-личивагощегося многообразия материалов, оборудования, технологии.

Кз проведенного анализа существующих САПР ТП видно, что числительгая техника применяется ограниченно, в основном, на расчетных процедурах. Рассмотренные САПР технологического назначения кап в деревообрабатывающей промшшенноотя, так и з машиностроении имеют следующие недостатки: большие затраты на кодирование и подготовку исходах данных к каждой задаче; трудность вмешательства в процесс проектирования с целью корректировки решений, учета конкретных производственных условий; любни изменения в система, вызванные необходимостью внесения дополнительной информации различного вида, корректировки системы для конкретных производственных условий, связаны с дополнительными трудозатратами; неподготовленность пользователей к внедрению и дальнейшему совершенствованию автоматизированного технологического проектирования.

Преодолеть недостатки и наиболее адекватно отразить характерные черты технологического проектирования мот.от САПР ТП на базе системы искусственного интеллекта. Опа обеспечит проекта-

рованве в интерактивном режиме на основа синтеза технологического процесса с помощью гибкого алгоритма. Проектирование может проводиться технологом-проектировщиком без специальной подготовки. Ваишой особенностью таких систем является возможность усовершенствовать еэ за счет получения дополнительных знаний.

При создании САПР ТП на базе интеллектуальной системы одной из основных проблем является организация базы знаний - определение ее структуры, содержания, выбора способа представления знаний.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи: осуществить системный анализ технологии щитовых элементов мебели; осуществить формализованное описание знаний в области технологии; разработать модель технологического процесса щитовых элементов мебели; разработать методику формирования конмрухторско-технологических групп щитовых элементов; разработать модель процесса проектирования технологии щитовых элементов мебели; разработать программное обеспечение компонентов системы автоматизированного проектирования технологических процессов; провести апробацию разработанных компонентов САПР ТО.

Во втором раздела представлена модель технологического процесса щитовых элементов мебели, разработанная на основе проведенного системного анализа технологии. Технологический процесс рассматривается как совокупность технологических этапов, причем границы этапов определены таким образом, что технологические этапы представляют собой автономные модули технологической системы. Каждый этап со.тоит из множества технологических операций. Операции могут проводиться различными методами. Какцому методу соответствует множество технологического оборудования. Этапы, операции, методы и оборудование, являющиеся средствами технологического процесса, представляют иерархическую структуру. Выявлены возможные состав множеств и порядок проведения этапов, операций. Рассмотрены объекты ТП-щитовые элементы мебели, определены множества материачов и конструкций щитовых элементов.

В разделе также доведено формирование показателей эффективности для каждого технологического этапа из условия, что "Ш должен обеспечивать изготовление деталей в соответствии с чертежами и техническими условиями с: минимальными себестоимостью

п трудозатратами. Из рассмотренного множества показателей фективности: степень использования сырья и материалов; производительность метода и оборудования; энергоемкость метода и оборудования; степень обеспечения требуемых точности я качества обработки; стоимость оборудования; площадь, занимаемая оборудованием; степепь олоапсти ремонта и надежности в работе; дефицитность оборудования; квалификация а ксшг.эство рабочих, занятых на операции; аналогичность метода я оборудования; степень загрузки оборудования; возможность использования оборудования для смежных деталей набора - каждому конкретному этапу принятия проектного решения определен соответствующий список показателе!!. Разработаны списки для выбора операций, методов проведения и оборудования всех этапов ТП.

Из проведенного анализа таловых технологических процессов (ТТЛ) видно, что, несмотря на такие достоинства, как классификация деталей по общности конструктивно-технологически.. признаков, создание алфавита технологии и т.п., существует ряд недостатков. Проектирование с помощью ТГП не освоооздает от субъективного влияния разработчика: наиболее сложная и ответственная часть общего комплекса работ по проектированию - установление состава и последовательности выполнения операций остается за технологом-разработчиком. Существенным недостатком ТТЛ является неспособность мобильно реагировать на новшества научных разработок и новое оборудование.

В третьем разделе лриведетта разработка модели проектирования технологии щятових элементов мебели. Функциональная модель должна адекватно отражать процесс, осуществляем^ разработчиком технологии, учитывая всю сложность и многовариантность этого процесса. Входной информацией для модели являются данные об изготовляемое щитовых элементах. Формализованная характеристика щитового элемента предстаияяэт собой график:

Т~<мА} к*,, Р, тр> , ш

где НА - шояеетво материалов щитового элемента; множество конструкций щитового элемеита; Р - множество размерна характеристик щитового элемента; 7~Р- требования по качеству обработки.

В свою очередь, каждое из названиях множеств состойх ¿я

поданожеств:

р = (ы , в,

Б работе раскрыто содержание всех подмножеств, входящих в описание щитового элемента. Разработанная система формализации описания щитового элемента достаточно полно отражает их разнообразие и мсаквт быть дополнена по маре возрастания разнообразия на основе рассмотренных принципов.

Реализация множества операций ТП должна обеспечить пароход всех параметров, списывающих объект технологии, от значений, со-ответствущш заготовке (исходному материалу), до требуемых значений щитового элемента. Казадая операция определяет изменение значения некоторого параметра, в этом и состоит &е функция. На атом принципе и основана формализация технологически этапов и операций.

Так, на первом технологическом этапе "Раскрой шштных материалов" происходит изменение размерных характеристик шштных материалов:

СГ . / „ л/п-*1Э Л опр \

о Р П и I (3)

рпл

где г - множество размеров исходных шштных материалов, причем ¡>т ^пРпР П

Р"** - множество размеров щитовых элементов; Р - мнсае-

Л »/Ч

ство размеров припускав на дальнейшую обработку; ^ - множество размеров отходов при раскрое плитных материалов.

Операция облицовывания пластей щитового элемента описана формулой:

(}МОЛй (\Мом)— (4)

где М~ материал основы щитового элемента; Н„ла, Нов* - материал облицовки верхней и нвгкей пластей, соответственно.

Формализованы операции всех технологических этапов.

В ртом разделе разработана методика формирования конструк-торско-техвологнческих групп (КТГ). Применение КТГ призвано ми-

яимизировать вероятность шогократного ЛрОХСЖДОНИЯ по одному и тому же маршруту при проектирования технологии. Принципиальной основой объединения деталей в группы является единство их технологий.

Характеристики щитовых элементов представляют собой мощное множество. Оно подробно рассмотрено в работе, определены мощности подмножеств слэдувдпс параметров: матопиат основы детали; материал облицовки власти; материал облицовки кроши; форма поверхности пласти детали; конфигурация щитового элемента; форма поверхности кроши; уровень тиснения поверхности щитового элемента; количество облицованных кромок; толщина облицовочного шпона; тип внутренней поверхности.

Учитывая, что на отдельно взятом технологическом этапе не все параметры оказывают влияние на разработку технологии, решено формировать КТГ локально на каядом этапа и при переходе к следующему этапу производить перераспределение.

Так, на этапе 'Изготовление облицовок пласти" формирование КТГ производится в соответствии с зависимостью:

V И2Г F2 ((/iont P(z, H2r), (5)

где F2 - график, задающий соответствие мезду материалом облицовки пласти, Моп, шириной щитового элемента,/3^, 1)я КТГ'этого этапа, У\2Г.

На этапе "Механическая обработка и облицовывание кромок" выделены следующие параметры: ЦоЦ- вид материала облицовки кромки, Fh. - форма поверхности кромки, Fñ - конфигурация щитового элемента, Р(к,л)- размеры щитового элемента, где к = I, 2, 3, что соответствует длине, ширине, толщине щптовогэ элемента к НК - количество облицовываемых кромок.

Формирование КТГ производится по формуле:

где FJ - график, задающий соответствие между этими параметрами и номером КГГ,

Аналсгично разработаны методы формирования KIT для всех этапов ТП.

В разработанной модели проектирования ТП отправной точкой является техническое задание, лредстаачямцее исходше данные:

хараятвристкку набора, производственную программу. Кроме того, к исходным данный относятся ограничения, включающие в себя ограничения по материалам, оборудованию по производственным площадям, по ресурсам предприятия - энергетическим, трудовым. Первым шагом проектирования является формализация описания щитовых элементов, затем происходит формирование элементов ТО: выбор этапов ТЕ и порядка их выполнения:

/Г=<Ъ,Т,ЭТ>. ^(ТхЭТ) (V)

Фз - трафик, задающий соответствие между ~Г- описанием щитового элемента и ЭТ - этапами ТП.

Теперь какдый этап рассматривается автономно, как отдельный модуль, последовательно от 1-го до 9-го этапа. Описанная часть процесса проектирования представлена на укрупненной блок-схеме (риоупок).

Грушшрозакие щитовых элементов производится по разработанному дня каждого этапа методу:

Jijr>, (в)

%— график, задающий соответствие на /-м этапе меяду описанием щитового элешнта и HJf - номером ЕЕГ.

¿дяее происходит вкбор технологических операций:

график, задающий соответствие ш j. -м этапе швду /7/7 - производственной программой, Ajr - номером КТГ и СП/ ~ мнояеством операций / -го этапа.

Выбор множества возможных методов проведения t -ой операции на J -м этапе:

f~*nJ i = С ¥«>yi j Kjf, Oftji , Mff/c >* (io)

^п/^К^гл onjc) * Mnjij

график, задающий соответствие на у'-м этапе ТО между £jr - номером КТГ, OHji - ¿' -й операцией этапа и множе-

ством методов проведе::ля I -й операции.

Из множества возмсшшс методов проведения операций выбирается оптимальный. Следующим шагом является выбор необходимого

/ Исходные даяныо^7

Характ.

набора

Производств, программа

Описание щитового элемента

Ограничения на: материалы; оборудование; ресурсы: энергетические, рудовые, произв. площадей

Мате- Рааме- Конст-

риал ры рукция

Формирование обобщенной схемы И1

Забор этапов ТП

Л1

~Г

ЭТ2

Требования I по качеству

ЭТ9

Рис. I. Фрагмент блок-схеш модели проектирования

тохнолсгического оборудования:

" < Т' ЛП' ^ > (П>

[{тл о/?/л мп/апп) *ов/]

- график, задающий соответствие на / -м этане ТП между 7" - описанием щитового элемента, 0/1/ - множеством операций у -го этапа, - методами проведения, ПЛ - производственной программой и 06 - множеством технологического оборудования. Производится выбор оптимального оборудования.

Окончательным шагом проектирования является определение обобщенных показателей эффективности ТП.

Разработанная модель принятия проектных решений задачи выбора оптимального метода проведения операции и оборудования основана на методе расстановки приоритетов. В результате проведения этого метода группа рассматриваемых объектов располагается в ряд по возрастанию или убывании степени выраженности какого-либо признака. В "радяагаемом алгоритме рошения задачи предусматриваете . определение весовых коэффициентов показателей эффективности также по методу расстановки приоритетов. Это вызвано тем, что степень важности показатыгя будет меняться в зависимости от конкретных условий. Алгоритм реализуется в диалоговом режиме. Пользователь сам дрет оценку степени важности определенного показателя. Это обеспечит дополнительную гибкость при адаптации системы.

Четвертый раздал посвящен разработке концептуальной модели автоматизированной системы проектирования. Разработанная функциональная структура САПР ТП щитовых элементов мебели состоит из одшша; чати подсистем: формализации описания деталей, узормнрова-ния списка этапов ТД ж девяти формирования технологического процесса какдого из девяти этапов соответственно. Подсистема каждого этапа обеспечивает функционирование следующих проектных процедур: разбиение щитовых элементов по КТГ; определение состава и последовательности операций; определение методов проведения технологических операций; определение необходимого тэхьологиче-ского оборудования.

Из испольсуэмых. в эврешнкых интеллектуальных системах моделей представления знаний выбрала логическая модель, базирую-

щаяся на исчислении предикатов первого порядка. Эта модель дает возможность гибкого представления различных характеристик функционирования системы в терминах логических операций. Знания организуются как некоторая совокупность правил, которая позволяет делать заключения на основе исходных данных.

Формализованная модель проектирования представляет собой правила вывода на языке исчисления предикатов первого порядка. Первая группа правил - правила выбора технологические этапов и последовательности их проведения. Например, условием проведения этапа "Шлифование пластой" выражено в формуле:

3J (Л(К,/) = "облицовано") л

(HOiи "строганный шпон"

где МО>\~ предикат, принимающий значение материала облицовки пласти. Лингвистически это правило выглядит так: если пласть щитового элемента облицована строганным шпоном, то этап шлифования проводятся. Далее на каждом этапе ТП сформулированы правила разбиения на КТГ, правила выбора технологических операций, правила выбора последовательности проведения операций, правила выбора технологического оборудования.

Пятый раздел посвящен реализации компонентов САПР ТП щитовых элементов мебели. Разработанная логическая модель базы знаний предметной области на языке исчисления предикатов лагЛа в основу программы на языке логического программирования ПЙШОГ. При написали программы использовалась версия языка ТУРШ-ПРОЛОГ. Программа написана для персональной SR'.I типа IBM.

Общение пользователя о ЭВМ при эксплуатации разработанной системы делится на два основных аспекта: оСи/оц информацией с базой знаний; непосредственно проектирование ТП. По мере внедрения новых технологий, материалов, нового технологического оборудования пользователь ыоает добавлять новые данные и правила вывода, удалять данные и правила, потерявшие свою актуальность или редактировать уже имеющиеся. Процедуры непосредственного проектирования рассчитаны на неподготовленного пользователя. Деятельность пользователя во время процесса проектирования делда-ся на три основные функции: формирование ввода данных; определение порядка и последовательности проектирования; формирование результатов проектирования.

Апробация компонент САПР ТП щитовых элементов мебели проводилась по разработанной методике по двум направлениям: проверка адекватности разработанных моделей; проверка работоспособности компонент САПР ТП. Результаты машинного эксперимента показали работоспособность компонент САПР ИТ, адекватность разработанных моделей, гибкость системы обеспечивает разработку Til методом синтеза практически для любого существующего вида щитового элемента.

В шестом разделе изложена методика расчета экономической эффективности от внедрения результатов работы в промышленность. Установлено, что годовой экоьомический эффект от внедрения САПР ТП щитовых элементов мебели составит 35 тыс.руб. при проектировании 20 технологических процессов в год только за счет снижения трудоемкости проектных рабрт.

Ш. ОСНОВНЫЕ вывода

1. Показано, что такие особенности процесса проектирования TII щитовых элементов мебели, как: объектная ориентация, многовариантность возможных решений, итеративный характер проектирования, а также "сменяемость и дополняемость технологических знаний во зреиени - получат успешную реализацию только при создании САПР !П1 на базе интеллектуальных систем.

2. На основе проведенного системного анализа разработана модель ТП щитовых элементов мебели: определена иерархическая структура ТП; определены рдементы ТП, возможные состав и-последовательность технологических этапов и операций; произведено формирование показателей эффективности этапов ТП, операций, методов проведения операций, технологического оборудования для каждого этапа.

3. Разработано формализованное описание щитовых элементов мебелк, технологических этапов, операций, в основу которого положен пооперационный переход значений характеристик щитовых элементов от исходных к требуемым.

4. Предложен и разработан метод формирования конструктор-ско-техьологических групп в ^'-ще локальных множеств поэтапно с учетом множества параметров щитовых элементов, влияющих на при-

нятяе проектных решений на каждом этапе, Применение этого метода обеспечивает формирование значительно меньшого количества КТГ, чем при сквозной классификации. Раэработага1ая модель формирования КТГ позволяет исключить вероятность многократного прохождения по о,оному и тому ас маршруту при проектировании ТП щитовых элементов мебели.

5. Разработан алгоритм проектирования ТП щятовыг элементов наболи; рассмотрена послодоватолыюсть проведения этапов проектирования; выявлены семантические связи между объекташ ТП.

6. Разработана модель принятия проектных решений при выборе оптимальных методов прояадепяя технологических операций, оптимального технологического оборудования па основе метода расотановки приоритетов.

7. Создана модель проектирования ТП дптовых элементов мебели на языке исчисления предикатов первого порядка, обеспечивающая проектирование без ¡жестких алгоритмов, опирающаяся на созданную базу знаний предметно,1! области и логические отношения, определенные в ной.

3. Осуществлена программная р ализацил разработашшх моделей на языке логического программирования ТУРБО-ПРОЛОГ для персональной ЭВМ типа IBM.в интерактивном режиме.

9. Эксплуатация разработанных компонент САПР ТП даст только за счет снижения трудоемкости проектных работ экономический эффект 35 тыс.руб. при проектировании 20 ТП за год.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Батырева U.M. Формализация описания щитовых элементов мебели. Лосотех. акад. - Л., IS89. - 8 с. - Дел. во ВШШЭИлео-пром 31.01.90 » 2597-лбЭО.

2. Батырева K.M. Разработка модели проектирования технологии изготовления щитовых элементов мебели; Лесотех. акад. - Д., IS89. - 14 с. - Ion. во ЕИШШЭИлоспром 31.01.90 Л 2596-лбЮ.

3. Батырева И.М., Бойцова И.Н., Глушновсклй A.A., Ивапов Б.А. Разработка компонентов экспертной системы для мебельной промшиенности//11ссл8доваиие и внедрение новых технологических процессов а современного оборудования на предприятиях лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.

Матер.науч.-тех.семинара 30-31 октября 1990 г. - Л.: ДДНТП, 1990. - С.70-73.

4. Батырева И.М. К вопросу автоматизации проектирования мебельного производства // Станки и инструмент деревообрабатывающих производств. Мэжвуз.сб.научн.тр. - I.: ИА, 1969. - С.103-106.

Просим принять участие в работе специализированного совета К 063.50.05 или прислать отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194018, Ленинград, Институтский пер., 5, Лесотехническая академия, Ученый совет.