Методика оптимального выбора структуры САМ-системы Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 621.398.001.2

О. В. Епифанова, асп., O. [email protected],

Д. И. Троицкий, канд. техн. наук, доц., (4872)351887, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

МЕТОДИКА ОПТИМАЛЬНОГО ВЫБОРА СТРУКТУРЫ САМ-СИСТЕМЫ

Рассмотрен алгоритм выбора перечня функциональных возможностей САМ-систем в зависимости от конкретных производственныхусловии.

Ключевые слова: САМ-система, стратегия, функциональные возможности, числовое программноеуправление, ЧПУ, управляющая программа.

На современных предприятиях оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ) получило очень широкое распространение. Высокая сложность современных изделий делает автоматизацию процесса разработки управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ при помощи САМ-систем неотъемлемой частью процесса подготовки производства. По данным корпорации CIMData [1] за 2005-2008г. рынок САМ-систем представлен десятью наиболее популярными фирмами-разработчиками (рис. 1).

Другие; 33,0 %

OPEN MIND; 3,2 %

Missler;

3,6 % 3,6 %

Dassault; 15,2 %

Siemens; 13,0 %

Delcam;

7,0 %

PTC; 6,5 %

Planit; 6,3 %

NDES; 3,9 %

Cimatron;

4,0 %

Рис. 1. Лидерырынка САМ-систем по данным СШВМа 2005-2008 гг.

Помимо десятка наиболее популярных САМ-систем, существует большое количество менее известных фирм-разработчиков; при этом весьма значительное число пользователей во всем мире - около 33 % - не применяют программные продукты ведущих поставщиков. Такие предприятия предпочли им системы, разработанные самостоятельно или на заказ, что свидетельствует о наличии большого количества технологических задач, которые не решаются в полной мере наиболее распространенными САМ-системами. Это, в свою очередь, приводит к возникновению необходимости разработки методики обоснованного выбора структуры и стратегии использования САМ-систем с целью повышения эффективности процесса автоматизированной разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ.

Выявление обобщенной структуры САМ-систем. Как показали проведенные исследования, спектр функциональных возможностей САМ-систем в зависимости от производителя варьируется незначительно. Имеется некоторый набор ключевых модулей, необходимых для построения эффективно работающей CAM-системы и значительное количество элементов, которые могут присутствовать в CAM-системе опционально. Ниже представлены основные функциональные возможности современных САМ-систем уровня СПРУТ-САМ, Delcam Power Mill, Tecnomatix и др. и их вклад в процесс автоматизированной разработки управляющих программ:

- Поддержка проектирования (каркасного и/или твердотельного моделирования) - влияет на возможность ввода/ редактирования исходных данных в формате 3D.

- Возможности импорта 3D, перечень поддерживаемых форматов -влияет на возможность переноса данных из CAD-систем других разработчиков.

- Возможность пополнения/изменения имеющихся библиотек и подключения новых - влияет на возможность настройки баз данных и библиотек системы под собственные нужды.

- Поддержка оригинального инструмента - влияет на возможность проектирования и использования в расчетах оригинального инструмента.

- Поддерживаемое оборудование (по видам обработки) - влияет на возможность выполнения расчетов для обработки определенного типа, применяемой на имеющемся оборудовании.

- Программирование черновых/чистовых операций - влияет на возможность выполнения расчетов траекторий и режимов обработки как для черновых, так и для чистовых операций.

- Поддержка макрорасширений - влияет на возможность расширения функционала CAM-системы за счет разработки и подключения дополнительных библиотек и расчетных модулей.

- Наличие модулей анализа и оптимизации процесса и траектории -влияет на возможность анализа принятых решений и их оптимизации.

- Наличие встроенного верификатора - влияет на возможность отладки УП в процессе разработки без привлечения дополнительных модулей верификации.

- Возможность автоматической/автоматизированной генерации сопутствующей документации - влияет на возможность формирования необходимой для оператора ЧПУ документации.

Для формирования представления об обобщенной структуре САМ-системы рассмотрим сначала процесс автоматизированной подготовки УП.

Данный процесс [2] обобщенно представляет собой следующую последовательность шагов: первоначально осуществляется ввод исходной информации о геометрии детали, затем производится выбор оборудования для обработки, настройка операции, заключительными этапами являются формирование текста УП в универсальном формате и в формате используемой системы ЧПУ.

При этом возможны различные варианты представления исходных данных и оборудования, для которого управляющая программа предназначена. Наиболее важным этапом является процесс настройки и расчета операции: пользователю необходимо пройти путь от выбора поверхностей для обработки к формированию и проверке траектории движения инструмента.

Результаты расчетов, сформированные в универсальном формате, должны быть проверены. Заключительным этапом являются выбор и настройка постпроцессора и проверка конечного варианта управляющей программы.

На основании процесса подготовки управляющих программ с помощью САМ-системы можно сформулировать обобщенную структуру САМ-системы (рис. 2), элементы которой, модули, обеспечивают поддержку каждого из этапов процесса разработки УП. В зависимости от потребностей предприятия, функциональность модулей будет варьироваться, однако общий их состав должен оставаться неизменным, чтобы обеспечить реализацию всех стадий подготовки УП.

При этом можно выделить группу модулей, состав которой может значительно изменяться в зависимости от типа используемого оборудования, сложности разрабатываемых изделий, требований к ним и пр. Это блок расчета и формирования УП. В зависимости от используемого оборудования возможно использование модулей для различных типов обработки. Помимо этого существуют модули расчета траекторий движения инструмента для специализированного оборудования.

Рис. 2. Обобщенная структура САМ-системы

Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 3

Факторы производства будут оказывать существенное влияние на выбор параметров САМ-системы:

1. Серийность выпуска и инвариантность производства, срочность заказа: сроки разработки УП.

2. Имеющееся оборудование: выбор САМ-системы для определенного типа обработки, выбор/разработка постпроцессоров.

3. Имеющееся в наличии программное обеспечение (CAD-системы): характер исходных данных для САМ-системы, форматы используемых данных.

Требования к разрабатываемым изделиям: сложность изделия, наличие дополнительных требований к качеству, специфика производства.

Материально-техническая база: приведение в соответствие программных и аппаратных требований САМ-системы и оборудования.

Квалификация персонала: время на освоение системы, необходимый уровень квалификации пользователей.

Теоретико-игровой подход к выбору оптимальной стратегии применения CAM-систем. Под оптимальной стратегией предприятия в области автоматизированной разработки управляющих программ понимается последовательность действий лица, принимающего решение, обеспечивающая заданный экстремум (максимум или минимум) оценочной функции. Для выбора оптимальной стратегии может быть применен аппарат теории игр [4]. При этом участники процесса рассматриваются как игроки.

Игрок, в конечном итоге оценивающий результаты внедрения - руководство предприятия - заинтересован в повышении эффективности разработки и качества управляющих программ при снижении стоимости систем автоматизации и низких расходах на поддержку и сопровождение (иначе говоря, экономического параметра TCO [total cost of ownership] -общей стоимости владения). С другой стороны, подразделение разработки управляющих программ заинтересовано в получении системы, набор функциональных возможностей и характеристики которой полностью удовлетворяли бы потребностям производства, что в свою очередь позволит разрабатывать качественные управляющие программы с наименьшими затратами ресурсов. Таким образом, цели руководства предприятия и разработчиков совпадают, поэтому взаимодействие разработчика и потребителя можно представить как коалиционную игру (1), каждый из участников которой имеет свой набор стратегий поведения:

детва предприятия; нx - функция выигрыша разработчиков управляющих программ.

Принятие решения представляет собой выбор одной или нескольких из некоторого множества рассматриваемых стратегий, каждая из которых приводит к определенному результату с определенными затратами. Необходимо подыскать один или несколько вариантов в зависимости от конкретной ситуации (набора факторов) с наибольшим значением целевой функции при минимальных затратах. Таким образом, выбор оптимального варианта производится с помощью минимаксного критерия "минимум затрат на внедрение и эксплуатацию при максимальной эффективности".

Каждая стратегия представляет собой домен, характеризующийся двумя параметрами: затратами на внедрение и эксплуатацию Ci и эффективностью стратегии Ei в зависимости от текущей ситуации. Таким обра-зoм, ^ = (д, .

Нахождение оптимальной стратегии заключается в выборе из некоторого множества рассматриваемых вариантов X такой стратегии х* еX, у которой в условиях сложившейся на предприятии ситуации, функция выигрыша разработчика УП будет

H(**, у) >у, (2)

где v (Г) - значение игры Г, равное экономической эффективности внедряемой ^ой стратегии разработчика управляющих программ, и

V = тах( X Ex * )), тт( £ *), (3)

где X Cx * - затраты на внедрение и эксплуатацию стратегии x*, X Ex *^)

- эффективность стратегии x* в зависимости от множества F текущих факторов производства.

Так как каждая ^ая стратегия состоит из элементов, т. е.

^ <7'2,...> <7'п’4 (4)

где \рц, ei2,...,e¡n, . } - множество элементов ^ой стратегии разработчика

документации, следовательно:

е„ = <Е с1п, Е Е,„ ^ % (5)

где ^ Сш - затраты на внедрение и эксплуатацию п-го элемента ^ой стратегии, ^ Еш (Г) - эффективность п-го элемента ^ой стратегии в зависимости от множества F текущих факторов производства.

Теоретическое общее число вариантов из N'тах элементов стратегий:

N1 N

с = I---------:----, (6)

Х=1 (N - X )!• X! ' '

где N1 - максимальное число одновременно внедряемых стратегий.

Стратегии xi разработчика УП, их элементы еи стратегии у- и условия выполнения заказа представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Стратегииразработчикое управляющих программ

Стратегии х! отдела разработки управляющих программ Элементы стратегий, е!

x1. Подготовка УП вручную (с минимальным привлечением средств автоматизации и САМ-систем)

X2. Автоматизированная подготовка УП, для которой предполагается приобрести е21. компьютерную технику; е22. САМ-систему; е221. САМ одного из ведущих поставщиков; е222. Специализированную САМ-систему; е23 Модули расширения функциональных возможностей САМ; е24. Постпроцессоры для имеющегося оборудования

x3. Автоматизированная подготовка УП, для которой предполагается разработать е31. Специализированную САМ-систему; е32 Модули расширения функциональных возможностей САМ; е33. Постпроцессоры для имеющегося оборудования

x4. Расширенная верификация не выполняется

x5. Расширенная верификация выполняется е51. С привлечением средств верификации САМ-системы; е52 С привлечением специализированных верификаторов; е53. С привлечением средств анализа и оптимизации

x6. Обучение персонала е61. Своими силами; е62. Специализированные образовательные программы

Таблица 2

Стратегиирукоеодстеа предприятия

Стратегии у руководства предприятия Факторы производства Бк, влияющие на выбор отдела подготовки управляющих программ

у1. Принять предложенную схему автоматизации. у2. Потребовать изменения схемы автоматизации -выбор другого уровня автоматизации. у3. Потребовать изменения состава САМ-системы. у4. Потребовать изменить поставщика САМ-системы ^. Серийность, инвариантность выпуска и срочность заказа (определяет сроки разработки). ^. Имеющееся на предприятии оборудование (применяемые типы обработки, набор постпроцессоров). ^. Имеющееся в наличии программное обеспечение КТПП. ^. Имеющееся в наличии вспомогательное программное обеспечение. ^. Сложность и специфичность разрабатываемых изделий. ^. Материально техническая база предприятия (компьютерная, офисная и т. д. техника). ¥7. Квалификация персонала (необходимый и достаточный уровень пользователей системы, сложность освоения). ^. Особенности выбираемой САМ-системы (наличие и качество локализации, технической поддержки, расширяемость системы, курсы для пользователей)

Ряд элементов стратегий могут оказаться несовместимыми. Например, невозможно внедрить САМ-систему при отсутствии компьютерной техники.

Применение игровой модели выбора стратегии внедрения САМ-систем. Для выбора эффективного перечня функциональных возможностей системы и конкретного программного продукта, реализующего этот перечень, необходимо, прежде всего, сформулировать цели и задачи предприятия в области автоматизированной разработки управляющих программ.

Затем следует оценить материально-техническую базу предприятия: определиться с тем, какие оборудование и техника имеются в наличии, какое программное обеспечение используется на предприятии (в том числе и на предшествующих этапах разработки изделия), каков уровень подготовки соответствующих специалистов и т. д. На этом этапе выявляются ограничения, которым должна удовлетворять САМ-система.

После этого следует конкретизировать цели в области автоматизации подготовки УП с учетом ограничений - сформулировать конкретные функциональные задачи. На этом этапе выбора осуществляется формулирование требований к самому функционалу системы: какие именно возможности и на каком уровне САМ-система должна реализовывать.

Перечень функциональных задач следует проранжировать по значимости - в зависимости от того, насколько критична та или иная функция и - как следствие - в какой мере она должна реализовываться в системе.

В рамках каждой функциональной задачи необходимо определиться с тем, какой характер носит эта задача (формирование или изменение входных данных, проведение расчетов, работа с базой данных), решается ли эта задача на предприятии в данный момент и каким образом, возможно ли улучшение метода решения поставленной задачи.

После того, как сформулированы цели и задачи предприятия в области автоматизированной разработки управляющих программ, следует провести сопоставление задач с функциональными возможностями САМ-систем и сформировать желаемую структуру системы. Кроме того, необходимо проанализировать возможные способы решения задач - есть ли соответствующие варианты решения поставленной задачи стандартными средствами либо требуется привлечение специализированных программных продуктов.

Заключительным этапом является выбор перечня вариантов конкретных CAM-систем, которые бы удовлетворяли потребностям предприятия с учетом ограничений. Уже из этого списка предприятию следует выбирать конкретный программный продукт конкретного производителя.

В работе решается задача повышения эффективности процесса автоматизированной разработки УП за счет обоснованного выбора стратегии автоматизации процесса разработки УП и структуры CAM-систем. Авторами построена модель выбора оптимальной стратегии предприятия в области автоматизированной разработки управляющих программ и сформулирован алгоритм формирования эффективного перечня функциональных возможностей САМ-систем.

Список литературы

1. CAM Software Market Leaders Named by CIMdata. URL: http://www.cimdata.com/news_events/press_release.html? press_release_ID =3

2. Ловыгин А. А., Васильев А. В., Кривцов С. Ю. Современный станок с ЧПУ и CAD/CAM - система. М.: «Эльф ИПР», 2006. 286 с.

3. Липунцов Ю. П. Управление процессами. Методы управления предприятием с использованием информационных технологий. М.: ДМК Пресс; М.: Компания АйТи, 2003. 224 с.

4. Теория игр /Л. А. Петросян [и др.]. М.: Высш. шк., 1998. 304 с.

О. Yepifanova, D. Troitsky

A METHOD FOR OPTIMAL CAM SYSTEM STRUCTURE SELECTION

Considers an algorithm for selecting CAM system features related to specific manufacturing conditions.

Key words: CAM system, strategy, features, numeric control, NC, control program.

Получено 11.11.10