CC BY
53
УДК 681.9.06.002.2 А. Н. Рязанцев, доц.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СИНТЕЗ СТРУКТУРНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ВЫБОРА В САПР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рассмотрена оригинальная методика автоматизированного синтеза гибридных структурнологических моделей средствами реляционных СУБД для систем автоматизации проектирования технологических процессов. Автоматизированный синтез универсальных структурно-логических моделей позволяет значительно сократить затраты времени на создание и настройку баз знаний систем автоматизированного проектирования технологических процессов для машиностроительного производства.
Одним из путей сокращения сроков технологической подготовки машиностроительного производства является повышение уровня автоматизации проектирования технологических процессов и средств их оснащения. В настоящее время на предприятиях отрасли, внедривших для решения задач технологической подготовки производства САПР технологических процессов, используются диалоговые режимы проектирования. Диалоговый режим проектирования обеспечивает высокую гибкость при проектировании технологии и позволяет охватить автоматизированным проектированием достаточно большую номенклатуру изделий при минимальных затратах времени на адаптацию системы к организационнотехническим условиям предприятия. Но при использовании диалогового режима сокращение затрат времени на проектирование технологии может быть снижено лишь в 3.. .5 раз, так как значительное количество проектных процедур и операций имеет низкий уровень автоматизации принятия решений.
В то же время существуют методики создания и настройки баз знаний САПР технологических процессов, которые за счет повышения уровня автоматизации проектных процедур и операций в САПР позволяют сократить затраты времени на проектирование технологии механической обработки резанием в десятки и сотни раз [1]. К сожа-
лению, эти возможности САПР технологических процессов на предприятиях машиностроения практически не используются. Это связано со значительными затратами времени, необходимыми для создания и настройки базы знаний САПР технологических процессов при адаптации системы к организационно-техническим условиям предприятия.
Для сокращения затрат времени на создание и настройку базы знаний САПР технологических процессов была разработана оригинальная методика автоматизированного синтеза структурнологических моделей, которые составляют основу баз знаний САПР технологических процессов.
Большинство проектных задач технологического проектирования относятся к логическим задачам, например, задачи выбора состава и последовательности выполнения технологических операций, состава и последовательности выполнения технологических переходов в операциях технологического процесса, выбора оборудования и средств технологического оснащения. В общем случае [2] логическая функция выбора подмножества различных элементов структуры технологического процесса имеет вид:
П ^2 П3
Ф = у(У(л Ак);X, (1)
г =1 J =1 к=1 ■’
где г - число возможных решений,
г = 1, 2, ..., щ; ] - число условий, связанных дизъюнкцией, ] = 1, 2, ..., п2; к - число условий, связанных конъюнкцией, к = 1, 2, ..., п3; Ак - к-е условие выбора.
В области автоматизации решения подобных задач в настоящее время существуют два основных подхода. Первое направление базируется на теории преди-
катов [2], второе - на теории конечных автоматов [3, 4]. В соответствии со вторым направлением на уровне формализации задачи выбора описываются в виде табличных, сетевых или перестановочных структурно-логических моделей
(СЛМ), которые определяются строками булевой матрицы:
[5, х Р (X)]
ъ. Ра
1 1 1 1 8,
1 1 1 0 Я2
1 1 0 1 Бз
1 1 0 0 Я4
1 0 1 0
1 0 0 0
0 1 1 1
0 1 1 0
0 1 0 1 Я9
0 1 0 0 Я10
0 0 1 0 Бц
0 0 0 0 Я12
(2)
где 8г - наборы свойств моделей, определяющие содержание задачи выбора; Г(5) - набор свойств; - свойство, оп-
ределяющее тип графа объекта, проектируемого по данной модели, = 1 - про-
стая цепь или путь, в противном случае -= 0; Гп - свойство, которое определяет постоянство количества элементов выбираемого объекта, Гп = 1 - число элементов аг постоянно, в противном случае Гп = 0; - свойство, определяющее по-
стоянство отношения между элементами выбираемого объекта, = 1 - отношение
постоянно, в противном случае - = 0;
Га - свойство, которое определяет постоянство состава элементов выбираемого объекта, Га = 1 - состав элементов постоянен, в противном случае - Га = 0.
В общем случае модель для решения задачи выбора структуры технологического процесса может быть описана графом О взаимосвязи операторов Т и С.
о = (Т, С) , (3)
где Т - множество допустимых решений, например операций или переходов обобщенного технологического процес-
са, в возможной последовательности их выполнения (вершины графа),
Т = (Г1, Т2, ..., Тп}; С - множество логических отношений между свойствами порождающей среды, например характеристиками заготовки, детали и ее поверхностей, которые определяют возможные пути на графе (дуги графа),
С = {С1, С2, ..., Ск}.
В среде реляционной СУБД граф взаимосвязи операторов Т и С в логических задачах технологического проектирования может быть представлен в виде таблицы реляционной базы данных (табл. 1).
Подобный подход к формализации логических задач выбора обеспечивает высокую наглядность и выразительность описания решения, а также инвариантность программного обеспечения, необходимого для решения задач подобного типа.
Однако подобные модели имеют существенные недостатки. Это обусловлено тем, что по форме связи между элементами технологического про-
цесса и критериями выбора сетевые структурно-логические модели могут быть либо только конъюнктивными, либо только дизъюнктивными. Данное обстоятельство приводит к необходимости декомпозиции локальных задач проек-
тирования технологического процесса на ряд подзадач, в которых раздельно используются конъюнктивные и дизъюнктивные сетевые структурно-
логические модели.
Табл. 1. Матрица сетевой структурно-логической модели
Множество допустимых решений Множество логических отношений
С1 С2 С]п
Т1 1
Т2 1 1 1
1 1
Тп 1 1
С целью устранения этого недостатка структурно-логических моделей предложена новая оригинальная форма их представления в виде гибридных моделей [5]. Предложенные гибридные структурно-логические модели позволяют выполнить компактное описание конъюнктивных и дизъюнктивных связей между элементами технологического процесса и критериями их выбора.
Кроме того, их использование позволяет совместить процедуры формализации и алгоритмизации логических задач технологического проектирования.
Общая структура гибридной сетевой модели для решения любых логических задач выбора при проектировании технологических процессов приведена в табл. 2.
Табл. 2. Матрица гибридной структурно-логической модели
Множество допустимых решений Множество логических отношений Форма связи
С \ С к2 С к-,т Конъюнктивная
С 3 Г'1 й С т-1 Дизъюнктивная
Т1
Т2
Тп-1
Тп
Компактность описания задачи выбора на этапе формализации достигнута за счет выделения в матрице структурнологической модели двух групп логических отношений с конъюнктивной Ск и дизъюнктивной Сё формами связи. Такой подход к описанию формализации
задачи выбора хорошо согласуется с типовыми процедурами обработки данных, которые используются в современных СУБД, что обеспечивает поиск решения средствами реляционных СУБД без разработки специального программного обеспечения.
Широкая номенклатура применяемых средств технологического оснащения, оборудования и видов механической обработки резанием обусловливает весьма большую размерность матриц структурно-логических моделей и связанные с этим определенные трудности при их создании в виде таблиц реляционных баз данных. Выполненные исследования в области формализации логических задач выбора с использованием универсальных, гибридных, сетевых структурно-логических моделей позволили выявить возможность их автоматизированного синтеза в среде ре-
ляционных СУБД.
На основе проведенных исследований [5] предложена методика автоматизированного синтеза гибридных структурно-логических моделей в среде реляционных СУБД. Разработанная методика автоматизированного синтеза гибридных структурно-логических моделей в среде реляционных СУБД для решения задачи автоматизации выбора элементов технологического процесса состоит из простой последовательности типовых проектных операций, которые представлены на рис. 1.
Ґ
Создание базы данных множества объектов выбора
Создание базы данных множества условий выбора
Перекрестный запрос к базе данных объектов и условий их выбора
Запрос на добавление в базу знаний структурнологической модели
Рис. 1. Проектные операции синтеза структурно-логических моделей для решения логических задач технологического проектирования
На первом этапе средствами СУБД создается таблица базы данных для автоматизированного синтеза матрицы структурно-логической модели, которая содержит множество объектов выбора и условий их выбора в виде логических выражений.
Фрагмент подобной таблицы базы
данных, предназначенной для синтеза структурно-логической модели и используемой для выбора технологического маршрута изготовления ступенчатых валов, представлен на рис. 2.
В таблице базы данных операции обобщенного технологического маршрута располагаются в возможной по-
следовательности их выполнения и представляют, таким образом, упорядоченное множество возможных решений. Упорядочивание множества возможных решений обеспечивается заданием порядкового номера операции в обобщенном технологическом маршруте. Данное правило расположения операций позво-
ляет в дальнейшем успешно решать задачу определения последовательности выполнения операций в проектируемом технологическом маршруте. В одном из полей таблицы базы данных располагаются логические выражения, которые описывают условия включения операций в технологический маршрут.
Наименование операции Код условия Условие выбора
Ленточно-отрезная С1 Заготовка прокат с профилем "Круг"
Рихтовка С2 =1 (безусловный выбор)
Транспортирование СЗ =1 (безусловный выбор)
Торцеподрезная-центровальная С4 У заготовки требуется наличие центровых отверстий
Токарная с ЧПУ С5 =1 (безусловный выбор)
Вертикально-сверлильная Сб У вала имеется одно глухое отверстие перпендикулярное оси
Радиально-сверлильная С7 У вала имеется более одного глухого отверстия перпендикулярного оси
Радиально-сверлильная (_* С8 У вала имеется более одного сквозного отверстия параллельного оси
Г оризонтально-фрезерная С 9 У вала имеется четырехгранная поверхность
Шпоночно-фрезерная СЮ У вала имеется паз для призматической шпонки
Шлицефрезерная С11 У вала имеется эвольвентная шлицевая поверхность
Шлицефрезерная С12 У вала имеется прямобочная шлицевая поверхность
Слесарная С13 У вала имеется четырехгранная поверхность
Слесарная С14 У вала имеется паз для призматической шпонки
Слесарная С15 У вала имеется эвольвентная шлицевая поверхность
Слесарная С16 У вала имеется прямобочная шлицевая поверхность
Закалка ТВЧ С17 Неоходимо выполнить термообработку - закалку ТВЧ
Круглопшифовальная С18 У вала имеется цилиндрическая поверхность с шероховатостью Р*.а = 1.6 мкм
Полировальная С19 У вала имеется цилиндрическая поверхность с шероховатостью 1(.а<= 0,32 мкм
Промывка С20 =1 (безусловный выбор)
Контроль С21 =1 (безусловный выбор)
Рис. 2. Фрагмент справочника базы данных технологических операций и условий их выбора
На втором этапе синтеза формиру- записей базы данных путем создания
ется матрица структурно-логической перекрестного запроса, пример которого
модели в виде динамического массива на языке запросов SQL приведен ниже.
TRANSFORM Count([Справочник операций и условий их выбора].[Номер операции])
AS [Count-Номер операции]
SELECT [Справочник операций и условий их выбора].[Наименование операции]
FROM [Справочник операций и условий их выбора]
WHERE ((([Справочник операций и условий их выбора].[Номер операции])> 0))
GROUP BY [Справочник операций и условий их выбора].[Наименование операции], [Справочник операций и условий их выбора].[Номер операции]
ORDER BY [Справочник операций и условий их выбора].[Номер операции]
PIVOT [Справочник операций и условий их выбора].[Код условия выбора];
Фрагмент результатов автомати- того вала приведен на рис. 3.
ческого синтеза матрицы структурно- На третьем этапе синтеза для по-
логической модели с дизъюнктивной стоянного размещения матрицы в базе
формой связи для выбора технологиче- знаний системы выполняется запрос на
ского маршрута изготовления ступенча- создание таблицы.
Наименование операции С1 С2 СЗ С4 С5 С6 С7 С8 С9 СЮ С11 С12 С13 С14 С15 С16 С17 С18 С19 С20 С21
Ленточно-отрезная 1
Рихтовка 1
Транспортирование 1
Торцеподрезная-центровальная 1
Токарная с ЧПУ 1
Вертикально-сверлильная 1
Радиально-сверлильная 1 1
Г оризонтально-фрезерная 1
Шпоночно-фрезерная 1
Шлицефрезерная 1 1
Слесарная 1 1 1 1
Закалка ТВЧ 1
Круглошлифовальная 1
Полировальная 1
Промывка 1
Контроль 1
Рис. 3. Фрагмент результатов автоматического синтеза матрицы структурно-логической модели технологического маршрута изготовления ступенчатого вала
Пример текста запроса на создание зультаты генерации матрицы структур-
таблицы, которая будет содержать ре- но-логической модели, приведен ниже.
SELECT [Матрица СЛМ].* INTO [tМатрица СЛМ]
FROM [Матрица СЛМ]
Полученная приведенным выше способом таблица базы данных может быть использована для принятия решений на соответствующих этапах технологического проектирования. Взаимодействие пользователя с базой знаний, представленной в виде структурнологической модели (см. рис. 3), на этапе принятия решений реализуется пу-
тем создания запроса с параметрами на основе таблицы, содержащей матрицу СЛМ. В качестве параметров используются заданные условия выбора (см. рис. 2). В этом случае диалог пользователя с экспертной системой протекает в форме вопрос-ответ (1 - да, 0 - нет) (рис. 4).
Рис. 4. Диалоговое окно для взаимодействия пользователя с экспертной системой
Запрос с параметрами для органи- средствами СУБД на языке БОЬ, на-
зации диалога пользователя с эксперт- пример, в следующем виде:
ной системой может быть реализован
SELECT [МСЛМВыбор маршрута].[Наименование операции]
FROM [МСЛМВыбор маршрута]
WHERE ((([МСЛМ Выбор маршрута].C1)=[Заготовка-прокат с профилем "Круг"?])) OR ((([МСЛМВыбор маршрута]^2)=1)) OR ((([МСЛМВыбор маршрута].C3)=1)) OR ((([МСЛМ Выбор маршрута]^4)=[У заготовки требуется наличие центровых отверстий?])) OR ((([МСЛМ Выбор маршрута]. C5) =1)) OR ((([МСЛМ Выбор маршру-та].C6)=[У вала имеется одно глухое отверстие, перпендикулярное оси?])) OR ((([МСЛМ Выбор маршрута].C7)=[У вала имеется более одного глухого отверстия, перпендикулярного оси?])) OR и т. д. по количеству выбираемых объектов и условий их выбора.
Решение задачи выбора элементов структуры технологического процесса в режиме диалога технолога с экспертной системой позволяет повысить качество принимаемых проектных решений и уровень автоматизации проектирования, но затраты времени на решение логических задач все еще остаются достаточно большими.
Значительное сокращение затрат времени и повышение уровня автоматизации проектирования может быть достигнуто путем использовании запросов на выборку, у которых параметрами являются предикативные функции вида IIj (expression, 1, 0). Функция IIf анализирует логическое выражение expression и возвращает 1, если логическое выражение истинно, и О, если выражение ложно.
В матрице структурно-логической модели (см. рис. 3) форма связи между объектами выбора и условиями выбора Сі является дизъюнктивной. Например, в условиях выбора Cl, C8, СІВ и С19 (см. рис. 2) необходимо отразить еще и наличие конъюнктивной формы связи выбираемых объектов и условий их выбора.
Использование предикативных
функций IIУ позволяет устранить эту проблему и реализовать решение логических задач выбора в виде гибридной структурно-логической модели (см.
табл. 2). В этом случае задача выбора решается путем создания запроса с использованием таблицы, содержащей дизъюнктивную матрицу структурно-логической модели, и параметров в виде предикативных функций, с помощью которых описываются конъюнктивные связи между условиями выбора. На рис. 5 приведен фрагмент таблицы базы данных, в которой, кроме словесного описания условий выбора, используемых при диалоге пользователь-экспертная система, присутствуют предикативные функции Щ, позволяющие полностью автоматизировать процедуру выбора элементов технологического процесса без участия технолога на основе данных параметрического описания заготовки, детали и ее поверхностей [6].
Запрос с параметрами в виде предикативных функций Ш" для автоматического решения задачи выбора может быть реализован средствами СУБД на языке БОЬ, например, в следующем виде:
SELECT [МСЛМВыбор маршрута].[Наименование операции]
FROM [МСЛМВыбор маршрута]
WHERE ((([МСЛМ Выбор маршрута].C1)=nf([SZ]![VidZag]=.1,1,0))) OR ((([МСЛМ Выбор маршрута].C2)=1)) OR ((([МСЛМ Выбор маршрута].C3)=1)) OR ((([МСЛМ Выбор маршрута].C 4) =IIf([SP]! [Pov]=55,1,0))) OR ((([МСЛМ Выбор маршру-та]^5)=1)) OR ((([МСЛМ Выбор маршрута].C6)=IIf([SP]![Pov] =7 3,1,0))) OR ((([МСЛМ Выбор маршрута].C7)=IIf(([SP]![Pov]=73 And [SP]![KolPov]>1),1,0))) OR ((([МСЛМ Выбор маршрута]. C8)=IIf(([SP]![Pov]=71 And [SP]![KolPov]>1),1,0))) OR ((([МСЛМ Выбор маршрута].C9)=IIf([SP]![Pov]=167,1,0))) OR ((([МСЛМ Выбор мар-шрута].C10)=IIf([SP]![Pov]=145,1,0) и т. д. по количеству предикативных функций IIf
Код условия Условие выбора Предикативная функция
С1 Заготовка прокат с профилем "Круг" Hf{[SZ]![VidZag]=l;l;0)
С2 =1 (безусловный выбор) =1
СЗ =1 (безусловный выбор) =1
С4 У заготовки требуется наличие центровых отверстий nf([SP]![Pov]=55;l;0)
С5 =1 (безусловный выбор) =1
С6 У вала имеется одно глухое отверстие перпендикулярное оси IIf([SP]![Pov]=73;l;0)
С7 У вала имеется более одного глухого отверстия перпендикулярного оси IIf(([SP]![Pov]=73 AND [SP]![KolPov]>l);l;0)
С8 У вала имеется более одного сквозного отверстия параллельного оси IIf(([SP]![Pov]=71 AND [SP]![KolPov]>l);l;0)
С9 У вала имеется четырехгранная поверхность nf([SP]![Pov]=167;l;0)
СЮ У вала имеется паз для призматической шпонки nf([SP]![Pov]=145;l;0)
С11 У вала имеется эвольвентная шлицевая поверхность nf([SP]![Pov]=121;l;0)
С12 У вала имеется прямобочная шлицевая поверхность nf([SP]![Pov]=130;l;0)
С13 У вала имеется четырехгранная поверхность nf([SP]![Pov]=167;l;0)
С14 У вала имеется паз для призматической шпонки nf([SP]![Pov]=145;l;0)
С15 У вала имеется эвольвентная шлицевая поверхность nf([SP]![Pov]=121;l;0)
С16 У вала имеется прямобочная шлицевая поверхность nf([SP]![Pov]=130;l;0)
С17 Неоходимо выполнить термообработку - закалку ТБЧ IIf([SP]![TU2]=l;l;0)
С18 У вала имеется цилиндрическая поверхность с шероховатостью 11а <= 1,6 мкм IIf(([SP]![Pov] <=2 AND [SP]![Ra]<=l,6);l;0)
С19 У вала имеется цилиндрическая поверхность с шероховатостью 11а <= 0,32 мкм IIf(([SP]![Pov] <=2 AND [SP]![Ra]<=0,32);l;0)
С20 =1 (безусловный выбор) =1
С21 =1 (безусловный выбор) =1
Рис. 5. Фрагмент справочника технологических операций и условий их выбора с предикативными функциями IIf
Исходными данными для создания запроса служат таблица «МСЛМ Выбор маршрута», содержащая матрицу структурно-логической модели, таблица базы данных «82», содержащая сведения о заготовке, и таблица «8Р», содержащая сведения о поверхностях детали, которые характеризуют форму, размеры и требования к точности и качеству обрабатываемых поверхностей. Приведенный пример реализует проектную процедуру выбора технологического маршрута, но аналогичным образом могут решаться и другие логические задачи выбора при проектировании технологических процессов, например, выбор оборудования, станочных приспособлений, содержания операций технологического процесса, режущих, вспомогательных, измерительных инструментов.
Предложенная методика автоматизированного синтеза структурно-
логических моделей и поиска решений с их использованием позволяет:
- в несколько раз сократить затраты на создание баз знаний при настройке инвариантных систем автоматизированного проектирования технологических процессов на конкретные объекты технологического проектирования;
- более полно реализовать элементы технической имитации искусственного интеллекта в высокоавтоматизированных САПР технологических процессов [1], т. к. обеспечивает решение задачи в автоматическом режиме или в режиме взаимодействия технолога с экспертной системой;
- исключить необходимость разработки специальных программных средств, т. к. все проектные операции, связанные с синтезом структурнологических моделей и поиском решений реализуются средствами реляционных СУБД;
- повысить качество проектных решений за счет корректной настройки базы знаний САПР технологических процессов;
- сократить затраты машинного времени на решение логических задач; так, время затрачиваемое на поиск решения с использованием структурнологических моделей почти в 3 раза меньше, чем при последовательном переборе и анализе условий выбора;
- устранить большой объем неавтоматизированных, рутинных операций, которые вынужден выполнять технолог в процессе настройки базы знаний, и тем самым снизить вероятность ошибок.
Разработанная методика использована и прошла проверку при создании учебно-исследовательской САПР технологических процессов на кафедре «Технология машиностроения».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Евгеньев, Г. Б. Интеллектуальные системы проектирования / Г. Б. Евгеньев. - М. :
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. - 376 с. : ил.
2. Диалоговое проектирование технологических процессов / Н. М. Капустин [и др.]. -М. : Машиностроение, 1983. - 255 с. : ил.
3. Цветков, В. Д. Системно-структурное моделирование и автоматизация проектирования технологических процессов / В. Д. Цветков. -Минск : Наука и техника, 1979. - 264 с. : ил.
4. Автоматизированные системы технологической подготовки производства в машиностроении / Г. К. Горанский [и др.] ; под общ. ред. Г. К. Горанского. - М. : Машиностроение, 1976. - 240 с. : ил.
5. Рязанцев, А. Н. Автоматизация решения логических задач технологического проектирования средствами реляционных СУБД / А. Н. Рязанцев // Современные технологии, материалы, машины и оборудование : материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев : МГТУ, 2002. - С. 76-85.
6. Рязанцев, А. Н. Информационные аспекты интеграции конструкторских и технологических САПР / А. Н. Рязанцев // Перспективные технологии, материалы и системы : сб. науч. тр. - Могилев, 2003. - С. 340-346.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 16.02.2011
A. N. Rjazancev
The structural models automated synthesis for choice logical problems solution in computer-aided processes planning systems
The original technique of the automated synthesis of hybrid structurally-logical models by means relational DBMS for CAPP systems has been considered. The automated synthesis of universal structurally-logic models allows reducing considerable time spending on design and adjustment of knowledge bases of Computer-Aided Processes Planning systems for machine-building manufacture.
