Системы автоматизированного проектирования технологических процессов

1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (САПР ТП)

Computer Automated Process Planning (CAPP)
Использование ЭВМ требует повышения квалификации технолога
по нескольким направлениям.
Во-первых, пользователь САПР ТП должен быть технологом
высокой квалификации, т.к. система сама выполняет рутинные
работы по поиску нужной информации, стандартным расчетам и
оформлению технологической документации. Технолог в режиме
диалога должен решать творческие задачи, связанные с
принятием сложных логических решений, которые не может
выполнить система.
Во-вторых, технолог должен знать язык общения с САПР ТП и
уметь ее эксплуатировать, включая анализ ошибок, возникающих в
системе, и способы их устранения.
В-третьих, у технолога появляется новая функция сопровождения
САПР ТП. Эта функция заключается:
- в корректировке баз данных (знаний) и в пополнении их новой
информацией;
- в нахождении и устранении алгоритмических ошибок;
- в разработке алгоритмов для дальнейшего совершенствования
САПР ТП.
1

2. НЕОБХОДИМОСТЬ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Трудоемкость и стоимость технологической подготовки производства
(ТПП) растет из года в год. За последние 20 лет трудоемкость
увеличилась в 3 раза. Увеличение сложности ТПП вызвано следующими
причинами:
машины и приборы становятся из года в год все сложнее. Приборы
и машины насыщаются электроникой, используют новые
материалы, требуется более высокая точность изготовления
деталей и узлов. Такое усложнение приводит к увеличению
трудоемкости проектирования технологических процессов.
в промышленности сейчас широко используются станки с
числовым программным управлением. Для них необходима
разработка операционной технологии и составление управляющих
программ, что также приводит к увеличению трудоемкости
проектирования технологических процессов.
в настоящее время необходимо проектировать качественные
технологические процессы, т. е. изделия, изготовленные по этим
процессам, должны отвечать требованиям конструктора и иметь
минимальную стоимость, следовательно нужно проектировать
оптимальные технологические процессы . От этого во многом
зависит прибыль фирмы.
2

3. ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ САПР ТП

Наличие достаточно развитой теории автоматизированного
проектирования.
Наличие технических средств.
Наличие автоматизированных систем. Внедряемые системы
должны полностью отвечать специфике предприятия и
обладать необходимыми функциональными возможностями.
Внедряемые системы должны быть достаточно гибкими для
того, чтобы их можно было легко адаптировать к
изменившимся условиям и функционально развивать в
соответствии с потребностями предприятия.
Моральная и организационная готовность предприятия к
использованию САПР ТП. Руководство и сотрудники
технологических служб должны понимать необходимость
применения ЭВМ для ТПП и чувствовать экономическую
эффективность
от
автоматизации
технологического
проектирования. Должны быть разработаны документы,
фиксирующие функции автоматизированных подразделений
ТПП, а также права и обязанности лиц, участвующих в
процессе
эксплуатации
и
сопровождения
автоматизированных подсистем ТПП.
3

4. ВОЗМОЖНОСТЬ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

При проектировании технологических процессов у технолога
имеются следующие сферы деятельности:
оформление технологической документации (маршрутные,
операционные карты и другие документы). Это не творческая
работа и может быть полностью автоматизирована.
поиск информации ( поиск инструмента, приспособлений,
оборудования, заготовок, припусков, нормативов по режимам
резания и нормам времени и т. д.). Эта процедура
автоматизируется на основе использования информационнопоисковой системы (ИПС). При использовании ИПС условие поиска
технолог вводит в режиме диалога. Условия поиска, которые
являются стабильными, можно хранить в базе знаний.
стандартные расчеты (расчет припусков, операционных
заготовок, режимов резания и т. п.). Такие расчеты можно
полностью автоматизировать.
принятие сложных логических решений (выбор структуры
процесса и операций, выбор баз и т. д.). Процесс принятия таких
решений полностью автоматизировать не удается.
4

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Структура технологического процесса может быть
рассмотрена на трех уровнях:
уровень маршрута;
уровень операции;
уровень перехода.
На каждом уровне структура процесса выражается в виде
направленного графа. На уровне маршрута граф
структуры - это граф, у которого вершины отображают
операции, а дуги - фиксируют отношения между
операциями. В качестве отношения, отражающего
последовательность выполнения операций, выбрано
отношение
следования.
Отношение
следования
обозначим следующим образом:
a
b или b
a;
5

6.

Следование является антирефлексивным,
антисимметричным, антитранзитивным отношением.
Антирефлексивность следует из того, что за какой-то
операцией не может следовать та же самая операция, т. е.
выражение a
a является ложным
Антисимметричность
следует
из
последовательность операций менять
выражение a
b является ложным.
Антитранзитивность возникает из того, что операции
пропускать нельзя. Если a
b и b
c, то отсюда не
следует, что a
c ( это выражение ложно ).
того,
нельзя,
что
т. е.
6

7.

Граф с указанным отношением будем называть графом
следования. Под структурой процесса будем
понимать граф следования на уровне маршрута. Например
для механической обработки детали характер линейный
граф, показанный ниже
Граф имеет линейную структуру, т.к. объект воздействия один
и заготовка последовательно обрабатывается, начиная с
операции О1. Запись в маршрутной технологической карте, по
сути, отражает граф следования.
7

8.

Для сборочных процессов структура ТП обычно может быть
записана в виде графа типа дерево, так как сборочный процесс
одновременно имеет несколько объектов воздействия.
8

9.

Структура операции -это граф, в котором вершины
отображают переходы, а отношения между вершинами
являются отношениями следования.
Структура операции может быть выражена графом типа "сеть".
9

10.

Переходы p3 и p4 выполняются одновременно.
Граф типа "сеть" можно привести к линейному виду,
объединяя параллельно выполняемые переходы.
Блочным
переходом
обычно
называют
переход,
выполнение которого осуществляется с помощью
инструментального блока. В таком блоке укреплены
инструменты для выполнения одновременной обработки
нескольких поверхностей.
Будем объединять параллельно выполняемые переходы,
считая что они обрабатываются в блочном переходе.
В нашем случае переходы p3 и p4 объединены в один
блочный переход p7. Остальные переходы будем считать
инструментальными переходами.
10

11.

На рисунке показан линейный граф, к которому
приведен граф операции типа "сеть". Если возникают
трудности с отображением последовательности
выполнения одновременно выполняемых переходов,
то вводят псевдопереходы.
Псевдопереход - это несуществующий (фиктивный)
переход,
введенный
для
разделения
групп
параллельно выполняемых переходов.
Структура перехода - это граф, вершины которого
рабочие ходы (подвести горелку, выполнить шов,
отвести инструмент), а отношения между ними отношение следования. Структура перехода обычно
линейная, так как связана обычно с одним
инструментом или блоком инструментов.
11

12.

Пример использования псевдоперехода для записи
структуры операции
На рисунке показано, что после одновременного выполнения
переходов p3 и p4 необходимо параллельно выполнить переходы p5,
p6 и p7. Для отображения этой ситуации вводится псевдопереход p10.
12

13.

Способы хранения в памяти ЭВМ структуры
технологического процесса
Результатом проектирования структуры является
комплекс
графов
следования,
соответствующих
структуре процесса, структуре операций и структуре
переходов. Этот комплекс необходимо каким-то
образом хранить в памяти ЭВМ. Будем различать
следующие основные способы хранения графов
следования в памяти ЭВМ:
1.
2.
3.
4.
5.
В
В
В
В
В
виде матрицы смежности.
гнездовом виде.
виде списка дуг.
виде списка вершин.
линейном виде.

14.

Матрица смежности
Матрица смежности имеет размерность n x n, где n - число
вершин. Если элемент матрицы mij=1, то это говорит о том,
что в графе имеется дуга, выходящая из i-ой вершины и
входящая в j-ую вершину, т. е. за i-ой вершиной следует j-ая
вершина.
Каждая строка матрицы может быть выражена как битовая
строка, длиною в 32 бита, и хранится в одном машинном
слове. Объем памяти, занимаемый матрицей, 11 слов. Если
количество вершин в графе больше 32, то понадобится 2
слова на строку и объем памяти увеличится в 2 раза.

15.

Номера вершин получены путем последовательной
нумерации вершин. На самом деле номера вершин (номера
операций или переходов) задаются другим способом.
Например, нумерация операций обычно выполняется через 5.
Поэтому необходима таблица адресов, в которой номеру
вершины ставится в соответствие реальное обозначение
номера операции или перехода (1 слово на обозначение
операции (перехода)).
Таблица адресов
Номер вершины
Обозначение объекта
(операции или перехода)
1
О
2
О10
:
:
5

16.

Если структура выражена в виде матрицы смежности с
битовыми строками, то ее суммарный объем памяти
составит :
V = 3n слов
Если слово содержит 16 бит, то указанное выражение
верно при n ≤ 16. Если 16 ≤ n ≤ 32, то на каждую строку
требуется 2 слова. Суммарный объем памяти в этом случае
составит :
V = 4n слов
Если матрицу изобразить массивом размерности n x n и
каждый элемент массива занимает 1 слово, то ее
суммарный объем памяти составит:
V = n2 +2n слов

17.

Гнездовое хранение структуры
При этом способе хранения структуры каждая вершина задается
гнездом следующего вида:
Оi
А1
A2
где:
Оi - номер объекта;
А1 - первый адрес перехода к следующей вершине;
А2 - второй адрес перехода к следующей вершине.
Гнездо построено в предположении, что от каждой вершины
отходит не больше двух дуг. Пусть структура операции выражена
следующим образом:
17

18.

Тогда хранение структуры с помощью гнезд можно выразить
следующим способом:
Каждое гнездо состоит из 3х слов. Общий объем занимаемой
памяти составит V = 3n слов
18

19.

Матрица смежности с битовым заданием строк и
хранение гнездами занимают одинаковый объем
памяти,
однако
гнездовой
способ
не
имеет
ограничения n < 16 или n < 32 и, в тоже время,
является более гибким.
Например, для удаления перехода Р5 нужно
уничтожить связь Р4
Р5. Для этого необходимо лишь
в гнезде с адресом А3 убрать адрес А4и поставить *
(отсутствие адреса). В то время как в 1-ом способе
для удаления лишнего перехода понадобиться
проделать ряд операций над битовыми строками.
Сложность использования гнездового способа
возникает, когда из вершины графа структуры
выходит больше двух вершин. В этом случае
необходимо либо применять гнезда с большим
количеством
адресов,
либо
использовать
псевдопереходы.
19

20.

Рассмотрим следующий
структура операции:
пример.
Пусть
задана
следующая
В данном случае двухадресными гнездами не обойтись. Можно
увеличить гнездо до четырех возможных адресов, тогда потребуется
объем памяти равный V=5n. Применительно к данному примеру - V=40
слов. В этом случае преимущества по памяти, по сравнению с первым
методом, пропадут. Для использования 2-х адресных гнезд необходимо
использовать псевдопереходы.
20

21.

В этом графе из всех вершин выходит не более 2-х дуг за счет
введения псевдопереходов рn1 и рn2. Следовательно, можно
использовать гнезда с двумя адресами.
Занимаемый объем - V=30 слов.
Это больше, чем у матрица смежности с битовыми строками.
Таким образом, для гнездового способа вводят псевдопереходы при
наличии более чем 2 - х дуг, исходящих из одной вершины.
21

22.

Линейная форма
Линейная форма записи структуры технологического процесса
является разновидностью списка вершин и отличается от списка
вершин наличием метки, позволяющей зафиксировать тип хранимой
вершины (тип объекта). При табличном задании линейной формы
столбец со списком вершин дополняется столбцом, содержащим тип
объекта. Таблица с линейной формой требует V=2nслов
где n - количество вершин в графе структуры.
Пусть структура операции имеет вид
22

23.

Линейная форма структуры операции
Тип
Вершина
2
p1
2
p2
3
p11
4
p3
4
p4
5
p10
3
p12
4
p5
4
p6
4
p7
2
p8
2
p9
Коды для столбца с типом
перехода:
2 - инструментальный переход;
3 - блочный переход;
4 - инструментальный переход,
входящий в блочный;
5 - псевдопереход.
23

24.

Как видно из этой таблицы, структура операции зафиксирована
полностью, включая блочный переход. Эта таблица требует V=24
слова.
Введение
блочных
переходов
позволяет
исключить
псевдопереходы. Поэтому из вышеприведенной таблицы исключается
строка с псевдопереходом (тип объекта - 5). Объем таблицы
сокращается до 22 слов.
Проведение изменений достаточно простое и сводится к вставке или
удалению строк.
С помощью линейной формы нельзя выразить структуру сборочного
процесса. Для ликвидации этого ограничения введем тип объекта
"ссылка на операцию". В технологических картах для сборочных
процессов после каждой операции обычно делается запись, на какую
операцию нужно перейти после выполнения заданной операции,
поэтому введение указанного типа объекта является достаточно
естественным.
24

25.

Линейная форма
Пример записи структуры сборочного процесса в линейной
форме.
Пусть структура сборочного технологического процесса на уровне
маршрута имеет вид:
Тогда структура этого сборочного процесса может быть выражена в
следующей таблице:
25

26.

Структура операции
Тип
Вершина
1
О1
6
О2
1
О3
6
О2
1
О2
6
О5
1
О4
6
О5
1
О5
В этой таблице код 1 означает, что данная вершина - это операция,
код 6 - ссылка на следующую выполняемую операцию.
26

27.

При
проектировании
маршрутно-операционной
технологии
необходимо фиксировать структуру процесса, как на уровне маршрута,
так и на уровне операций. Чтобы разрабатываемые структуры не
смешивались, их обычно хранят в отдельных файлах. Заголовок файла
обычно содержит 200-500 байт.
Хранение структуры технологического процесса из 10 операций и
пятью переходами в каждой операции может потребовать от 3 до 10
Кбайт на жестком диске.
Использование линейной формы позволяет выразить комплекс
графов, характеризующий структуру процесса, в виде единой таблицы
и хранить в одном файле. Для этого в таблице за строкой с типом 1
(операция) записываются строки фиксирующие структуру этой
операции (строки с типами 2-5). Далее идут строки с типами 1 или 6
для следующей операции и т. д.
27

28.

Вывод
Запись структуры технологического процесса в линейной
форме является предпочтительной, так как:
позволяет фиксировать любой тип структуры технологического
процесса;
дает возможность выразить комплекс графов, характеризующий
структуру процесса, в видеединой таблицы и хранить в одном
файле;
требует минимального объема памяти для своего хранения, как
в оперативной памяти, так и на магнитном носителе.
28

29.

Оптимизация технологических процессов
Ранее было показано, что с помощью САПР ТП необходимо
проектировать оптимальные по какому либо критерию технологические
процессы. Рассмотрим общую постановку задачи разработки оптимальных ТП.
В качестве критерия оптимизации при технологическом проектировании
обычно используется себестоимость C(T) изготовления детали по
технологическому процессу T. Оптимальным Топт называется вариант
технологического процесса, имеющий минимальную величину С:
С(Топт) = min С(Т);
Т принадлежит МТ, где МТ - множество допустимых вариантов
технологических процессов.
Множество МТ допустимых вариантов является очень большим (сотни и
тысячи возможных вариантов), поэтому задача оптимизации ТП является
весьма трудоемкой и сложной. Технолог физически не может спроектировать
такое количество вариантов. Поэтому разработка технологических процессов
носит субъективный характер и качество спроектированных технологических
процессов зависит от опыта и квалификации технолога, который их
разработал. Так как от качества технологических процессов во многом
зависит прибыль предприятия, то задача разработки оптимальных ТП
является весьма актуальной.
29

30.

Система проектирования ТП имеет многоуровневый характер,
поэтому различают три уровня оптимизации:
уровень маршрута;
уровень операции;
уровень перехода.
Оптимизация ТП выполняется по уровням: оптимизация
операций осуществляется на основе использования оптимизированных
переходов, а оптимизация процесса в целом (уровень маршрута)
выполняется на основе оптимизированных операций. При такой
иерархической оптимизации оптимизация на заданном уровне имеет
глобальный характер по отношению к более низкому уровню и
локальный характер по отношению к более высокому уровню.
Будем различать два вида оптимизации:
структурная оптимизация;
параметрическая оптимизация.
30

31.

Оптимизация на уровне маршрута и операции является
структурной, так как связана в основном с выбором структуры
процесса или операции, в тоже время оптимизация на уровне
перехода является параметрической, так как достигается путем
варьирования параметрами перехода. Например, оптимальные
режимы резания достигаются путем варьирования подачей,
скоростью резания и припусками.
Множество МТ допустимых вариантов является очень большим и
может быть задано не аналитически, а алгоритмически, т. е. в виде
правил, имеющих как формальный так и не формальный характер,
поэтому возникают сложности с применением различных методов
оптимизации.
При структурной оптимизации наиболее общими методами
оптимизации являются поисковые методы оптимизации.
При параметрической оптимизации могут быть применены
известные методы линейного и нелинейного программирования.
31

32.

Поисковые методы оптимизации используются, так как не
накладывают особых ограничений на критерий оптимизации и
область существования решений. Суть поисковых методов
оптимизации заключается в нахождении последовательности
вариантов технологических процессов:
Т1 ... Тi ... Тn
где
каждый
последующий
вариант
предпочтительнее
предыдущего, т. е. С(Тi) > С(Тi+1). В пределе указанная
последовательность должна сходится к достаточно малой
окрестности решения, т. е. варианту близкому к оптимальному.
Наиболее часто применяют следующие поисковые методы
оптимизации:
метод случайного поиска;
метод регулярного поиска;
метод направленного поиска.
32

33.

Как видно из рисунка выбор оптимального варианта ТП методом
случайного
поиска
предполагает
проектирование
случайной
последовательности вариантов технологического процесса с отбором
вариантов, имеющих минимальную себестоимость по сравнению с
предшествующими. Если провести усредненную кривую через точки для
отобранных вариантов, то кривая себестоимости постепенно
приближается к оптимальному в заданных условиях значению
33
себестоимости процесса.

34.

Сложность применения алгоритмов случайного поиска
заключается в большой вариантности технологических процессов, что
в сочетании в сочетании с высокой сложностью машинного времени и
сложностью алгоритмов проектирования не дает возможность
просчитать большое количество вариантов и, следовательно,
окончательный
вариант
будет
далеко
не
оптимальным.
Неформальный во многих случаях характер принятия, особенно при
проектировании структуры процесса, не позволяет автоматически
проектировать каждый вариант технологического процесса, поэтому
требуется вмешательство технолога для оперативного принятия
решений.
В настоящее время используются следующие направления
сокращения вариантности проектируемых процессов:
типизация технологических решений;
изменение стратегии поиска;
усиление режима диалога.
34

35.

Типизация технологических решений применительно к
условиям предприятия позволяет резко сократить количество
генерируемых вариантов за счет использования лишь вариантов
наиболее вероятных и прогрессивных для данного предприятия.
Чем выше типизация решений, тем легче генерацию решений
заменять на выбор решений и, следовательно, повышать
быстродействие системы проектирования.
При использовании метода случайного поиска обычно
применяется стратегия поиска, которую можно назвать "сначала
вглубь, а затем вширь".
Для этой стратегии характерно то, что каждый вариант
рассчитывается до конца (движение вглубь) независимо от того, будет
он использоваться в будущем. Лишь после этого осуществляется
переход к варианту (движение вширь). Ниже показано дерево
решений.
35

36.

При использовании метода случайного поиска принятие решения на
каком либо уровне ( выбор вершины на j-ом уровне дерева решений)
выполняется
случайным
образом.
Следовательно
и
вариант
Тj получается случайным образом.
Другой стратегией является стратегия "сначала вширь, а затем
вглубь". При этой стратегии на каждом уровне дерева решения
выполняется оценка полученных решений, выбор лучшего решения и
переход на следующий нижний уровень..
36

37.

Сложность применения этой методики заключается в том, что
обычно невозможна точная оценка полученных на j-ом уровне
решений. Используя приближенные и укрупненные оценки можно
выбрать не одно решение, а несколько.
На следующем уровне происходит уточнение отобранных
решений с последующей уже более точной оценкой. Варианты
решения не отвечающие. оценочным критериям отбрасываются.
Таким образом, осуществляется направленный поиск варианта и
первый найденный вариант должен быть близок к оптимальному.
Однако из-за приближенных оценок, область оптимизации
расплывается,
и
в
нее
попадают
несколько
вариантов
технологических процессов, имеющих наилучшие оценки.
37

38.

Если
система
оценок
на
каком-либо
уровне
слабо
формализована, то необходимо вмешательство технолога в процесс
автоматизированного проектирования, что дает возможность
осуществления направленного поиска оптимального варианта,
учитывающего, кроме того оперативную обстановку на предприятии.
При этом, однако, в процесс проектирования вносится субъективный
фактор.
Использование указанных направлений позволяет сократить
количество
проектируемых
вариантов
при
экономически
оправданных затратах на проведение расчетов с помощью ЭВМ.
Необходимо обратить внимание на то, что главным в проблеме
оптимизации технологических процессов является структурная
оптимизация как наиболее сильно влияющая на критерий
оптимизации С(Т). Варьирование структурой процесса может в
несколько раз изменить себестоимость ТП. Параметрическая
оптимизация носит подчиненный характер и ее влияние на
себестоимость ТП не превышает 10 - 20 %.
38

39.

Оптимизация процессов на уровне маршрута
Пример 1
Пусть среднее время проектирования технологического
процесса на простую деталь составляет 0.3 часа при стоимости
одного часа работы технолога и ЭВМ равной 40 руб/час. Тогда
стоимость проектирования одного процесса на ЭВМ составит 12
руб/процесс.
Пусть в процессе проектирования получали
С(Т1) = 10 руб., С(Т2) = 8 руб., С(Т3) = 7 руб.,
С(Т4) = 6.5 руб., С(Т5) = 6 руб., С(Т6) = 5 руб.,
т. е. было спроектировано шесть вариантов процессов.
Пусть годовая программа выпуска деталей составит
Р = 10 шт./год.
Тогда экономия от оптимизации составит
С = (С(Т1) - С(Т6))*Р или С = 50 руб.
Затраты на оптимизацию определяются следующим образом:
Стпп = 12*6 руб. или Стпп = 72 руб.
Таким образом, затраты на оптимизацию превышают
экономию от оптимизацию.
39

40.

Пример 2
Для указанного выше примера будем считать приведенную стоимость
процесса:
n
C
Стпп
Спр
1
10.0
1.2
11.2
2
8.0
2.4
10.4
3
7.0
3.6
10.6
4
6.5
4.8
11.3
5
6.0
6.0
12.0
6
5.0
7.2
12.2
40

41.

Уровни автоматизации

42.

Процесс принятия решений в САПР ТП
42