Проектирование общих операционных технологий в редакторе технологических процессов РТП2000: Учебно-методическое пособие

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пензенский государственный университет ________________________________

Факультет автоматизации машиностроения

Кафедра “ Технология машиностроения ” ______________________________________________________________ к.т.н., доцент Белашов В.А., к.т.н. Белашов А. В., Белашов М.В.

Проектирование общих операционных технологий в редакторе технологических процессов РТП2000 Методическое пособие

2008

УДК 621.09.002 Белашов В.А., Белашов А. В., Белашов М.В. Проектирование общих операционных технологий в редакторе технологических процессов РТП2000: Учебно – методическое пособие. – Пенза: Пензенский гос. университет, 2008. – 28 с.

Даны общие сведения об автоматизации структурного синтеза операционного технологического процесса на основе типизации принятия решений. Приведена графическая модель объекта проектирования. Рассмотрено применение средств автоматизированной системы проектирования технологий РТП2000 для обучения системы. Пособие предназначено для студентов инженерных специальностей, изучающих курс «САПР технологических процессов».

Оглавление Введение.........................................................................................................................................................4 1. Описание объектов проектирования ......................................................................................................8 1.1. Структурная модель..........................................................................................................................8 1.2. Библиотека элементов формы........................................................................................................10 2. Интерфейсные элементы для описания модели ..................................................................................14 3. Синтез операционного технологического процесса ...........................................................................15 3.1. Математический аппарат генетического алгоритма.....................................................................16 3.1.1. Представление объектов...........................................................................................................17 3.1.2. Кодирование признаков, представленных целыми числами ................................................18 3.1.4. Кодирование признаков, которым соответствуют числа с плавающей точкой ..................19 3.1.5. Определение фенотипа объекта по его генотипу...................................................................20 3.1.6. Основные генетические операторы .........................................................................................21 3.1.7. Схема функционирования генетического алгоритма ............................................................22 4. Размерный анализ технологического процесса...................................................................................23 5. Создание геометрии детали...................................................................................................................29 5.1. Регистрация детали .........................................................................................................................29 5.2.

Создание наружного контура.....................................................................................................30

5.3.

Создание внутренних контуров .................................................................................................30

5.4.

Наложение дополнительных элементов формы .......................................................................31

Литературные источники ...........................................................................................................................35

Введение Вопросы автоматизации синтеза технологических процессов долгие годы остаются в центре внимания исследователей и разработчиков компонентов САПРТП. Это вполне оправдано, так как именно синтез структуры является наиболее трудно формализуемым процессом при создании систем проектирования. Надо отметить, что в части разработки методологии автоматизации синтеза маршрутных технологий имеются значительные результаты, позволяющие создавать вполне работоспособные компоненты САПРТП. В настоящее время для синтеза маршрутов используются, в основном, общие технологии, построенные на основе элементарных маршрутов [1], продукционных списков или семантических сетей [2].

Применение искусственных нейронных сетей [3] позволяет создать

общий процесс на принципах самообучения САПРТП, что упрощает и удешевляет стадию адаптации системы к конкретным производственным условиям. В разработке методики автоматизации синтеза операционных технологий успехи не так очевидны. В процессе синтеза операционной технологии участвует слишком много параметров, в том числе точностные и размерные параметры – размеры детали и заготовки, технологические и настроечные размеры, отклонения формы и расположения поверхностей, припуски и т.д. Число возможных вариантов схем простановки размеров, как на чертежах детали и заготовки, так и на операционных эскизах так велико, что весьма сложно учесть их всех этапах обучения системы. Это значительно усложняет работу специалиста,

адаптирующего

систему

применительно

к

традициям

и

возможностям производственной среды конкретного предприятия. Так что приемы, применяемые при синтезе маршрутов и оперирующие ограниченным числом параметров, здесь не очень эффективны, а в ряде случаев просто не применимы. Критерием

качества

связанных

размерных

цепей

синтезированной

операционной технологии, как известно, является размерный анализ. Методы размерного анализа сейчас разработаны в достаточной для практического

применения степени, хотя некоторые аспекты и требуют уточнения или развития. Как следует из опыта размерного анализа технологии, достаточно сложно, практически не возможно, с первой попытки создать структуру процесса, отвечающую всем требованиям конструкторского документа и обеспечивающую положительные результаты размерного анализа. В процессе синтеза операционной технологии необходимо уметь не только создавать единственный вариант структуры операции, но и модифицировать структуру по результатам размерного анализа. Механизм модификации (ресинтеза) структуры к настоящему времени практически не разработан. Еще одна проблема структурного синтеза технологической

операции

возникает при подготовке исходной информации. Очевидно, что большинство данных, связанных с геометрией детали и ее параметрами, целесообразно получать из конструкторской системы проектирования. Это исключает субъективные ошибки, характерные для ввода больших объемов данных, и не требует включать в технологическую САПР лингвистическое обеспечение для описания детали и средства его интерпретации, что обычно усложняет и удорожает программное обеспечение. Но большинство графических редакторов при создании двумерного чертежа оперирует примитивами типа отрезок, окружность, дуга и т.п., которые практически невозможно соотнести со структурными элементами операции и маршрута. Даже при наличии трехмерной модели возникают значительные сложности. Практически все графические системы представляют модель детали, модель заготовки и операционные эскизы в виде отдельных, не связанных между собой, графических объектов (чертежей, фрагментов или трехмерных моделей). В связи с этим возникают непреодолимые трудности автоматического выявления размерных связей, на основе которых выполняется и синтез структуры технологического процесса и его размерный анализ. Таким образом, для создания методологии синтеза операционной технологии механической обработки деталей необходимо, как минимум, решить следующие задачи:

разработать модель объекта проектирования, отвечающую требованиям синтеза технологии и размерного анализа разработать процедуры синтеза структуры технологического процесса с использованием результатов размерного анализа уточнить и дополнить методику размерного анализа технологического процесса

Редактор технологических процессов РТП2000 допускает выполнять создание операционной технологии обычными средствами на основе опыта технолога или на основе применения технологий - аналогов. Однако это не самый эффективный способ, так как качество принимаемых проектных решений здесь в значительной степени определяется квалификацией исполнителя проекта. Наилучшие результаты дает методика использования общих операций, которая позволяет синтезировать операционные технологии в автоматическом режиме на основе предварительно разработанного информационного обеспечения, позволяющего получать близкие к оптимальным проектные решения. Информационной основой автоматического синтеза технологий являются: библиотека элементов формы; библиотека типовых технологических операций. Геометрия детали, созданная с использованием библиотеки элементов формы, позволяет

обеспечить

технологических

однозначное

переходов,

соответствие

обеспечить

геометрии

автоматическое

детали

и

формирование

операционных эскизов и размерный анализ. Система допускает преобразование чертежа детали, выполненную средствами обычного графического редактора, например Компас, во внутреннее представление на основе библиотеки элементов формы. Библиотека типовых технологических операций (ТТО) разрабатывается применительно к условиям конкретного предприятия с учетом традиций

проектирования операций. Операции ТТО могут использоваться в составе общих технологических процессов или индивидуально. Операция библиотеки содержит упорядоченный набор переходов, каждый из которых связывается с одним или комплексом элементов формы детали. В процессе применение ТТО система проверяет наличие в составе детали соответствующего элемента формы. При его отсутствии переход не включается в единичную технологию. В противном случае порождается один или некоторое число переходов (по числу элементов формы). Так из общего технологического процесса автоматически формируется состав переходов каждой операции. На следующем этапе выполняется процесс синтеза технологии на основе эволюционного подхода, который предполагает последовательное применение стадий маршрута с анализом размерных связей на предмет оценки возможности достижения заданных точностных и прочих параметров детали на каждой стадии. Эволюционный процесс завершается при достижении требуемых параметров детали. На этом этапе основополагающую роль играет механизм размерного анализа. В связи с тем, что многообразие возможных геометрических форм детали не позволяет заранее предусмотреть все схемы простановки технологических размеров, размерные схемы генерируются с использованием генетического алгоритма.

Он

позволяет

достаточно

быстро

найти

приемлемые

схемы

операционных размеров для каждой операции, удовлетворяющие требованиям размерного анализа. На заключительной стадии автоматически формируются операционные эскизы операций и чертеж заготовки.

1. Описание объектов проектирования 1.1. Структурная модель Модель детали разрабатывается на основе требований, предъявляемых поставленной задачей: модель должна позволять удобно и просто описывать характерные для деталей машиностроения геометрические формы; модель должна быть удобна для выполнения импорта и экспорта изображения с использованием наиболее распространенных стандартов обмена графическими данными, например DXF или KSF; элементы модели должны обеспечивать однозначную связь с операциями и переходами технологического процесса; модель должна обеспечивать однозначную связь размеров детали, заготовки и операционных размеров; модель

должна позволять автоматически

выявлять размерные связи,

выполнять размерный анализ и выполнять ресинтез технологического процесса. В основу модели положены идеи, излагаемые в работе [4]. Описание геометрии осуществляется с использованием библиотеки элементов формы (ЭФ), образующих наружный – главный контур детали, и вспомогательных элементов (ЭВ), накладываемых на ЭФ, с учетом типа детали. Тип детали определяется на основе кинематического подхода и задается способом получения поверхности, образующей главный контур детали. деталь вращения (вал, втулка, диск и т.п.) образуется вращением образующей относительно главной оси детали; деталь вытягивания

(планка, корпус, пластина и

т.п.)

образуется

перемещением образующей относительно координатного направления; Структура геометрии определяется типом детали (в силу ограниченного объема статьи в дальнейшем рассмотрим только детали вращения) и включает: объект (деталь, заготовка, операционный эскиз);

координатное направление, задаваемое для каждого объекта плоскостью визуализации (число направлений произвольное, достаточное для описания детали); Каждое координатное направление включает описание: главного контура; дополнительных

контуров

(число

дополнительных

контуров

не

ограничивается). Признаком начала описания контура является система координат (СК). В пределах каждого контура структура делится на разделы раздел ЭФ (начинается с СК); раздел ЭВ; раздел координирующих размеров; Каждый ЭФ содержит список параметров, необходимых для синтеза технологического процесса. квалитет параметр шероховатости значение параметра шероховатости вид параметра отклонения формы значение параметра отклонения формы вид параметра отклонения расположения поверхности значение параметра отклонения расположения поверхности вид термообработки толщина слоя термообработки шкала твердости значение твердости вид покрытия толщина покрытия вид химико-термической обработки толщина слоя химико-термической обработки вид дополнительной обработки

Вся

деталь

(включая

системы

координат

дополнительных

контуров)

описывается в системе координат главного контура. ЭФ в пределах раздела упорядочиваются (сортируются) по значению координаты привязки к началу контура (к началу системы координат). При сортировке определяется признак положения (слева, середина, справа). Признак записывается в ЭФ. ВФ не сортируются (размещаются в порядке их записи), но связываются с ЭФ, на которых они образованы, двусторонней связью. Привязка ВФ осуществляется с учетом признака его положения – ближайшее или удаленное относительно начала СК. Признак положения позволяет ориентировать ЭВ. Удаленное положение привязывает ЭВ к правой стороне ЭФ с поворотом на 180 . Для каждого ЭФ устанавливается перечень допустимых ЭВ. ЭФ и ЭВ именуются оригинальными именами – идентификаторами, которые присваивается каждому новому ЭФ автоматически с использованием генератора идентификаторов. Идентификатор представляется целым числом и используется для идентификации поверхностей, участвующих в размерном анализе. Некоторые ЭФ является системными. Они определяются системой при создании основных ЭФ автоматически. Примером системного элемента является торец ступени.

1.2. Библиотека элементов формы Библиотека представляется двумя разделами, ориентированными на детали типа «тело вращения» и «тело движения». Элементы формы детали типа «тело вращения» Наружные поверхности Специальные, формообразующие, фаски, резьбы… цилиндр наружный

конус наружный

фасонная поверхность

Резьба цилиндрическая

наружная

фаска

скругление

галтель

Канавки, пазы, профили… Канавка под Канавка под выход подшипник

Канавка под

шлиф. выход

Исполнение 2

Канавка под шлиф.

круга на торец

Шпоночный паз 1

шлиф. выход

шлиф.

круга на цилиндр. круга на цилиндр. круга на цилиндр Исполнение 1

выход

Канавка под

Шпоночный паз 2

Паз

и торец

Лыска

Лыска 2

Квадрат

Шестигранн ик

Зубчатые и шлицевые поверхности… Червяк

Червяк гипоидный

Зубчатое колесо

Внутренние поверхности Формообразующие, фаски, резьбы, центровые отверстия… Система координат

Отверстие

Сквозное отверстие

Отверстие

конусное сквозное конусное глухое

Отверстие

Отверстие

глухое,

глухое,

сверлованное

зенкерованное

Отверстие фасонное

Резьба

Отверстие

Отверстие

Отверстие

Отверстие

центровое

центровое

центровое

центровое

исполнение 1

исполнение 2

исполнение 3

исполнение 4

Отверстие центровое исполнение 5

Канавки, пазы, профили фаска

скругление

Канавка под выход

Канавка под

шлиф. выход

круга на торец.

шлиф.

круга на цилиндр и торец.

Элементы формы, налагаемые на основные (формообразующие) поверхности детали, связываются с ними таким образом, что удаление или изменение параметров одного из связанных элементов изменяет соответствующие параметры другого элемента. Перед выбором элемента наложения необходимо указать мышкой примерное место формообразующего элемента, куда следует установить налагаемый элемент формы.

2. Интерфейсные элементы для описания модели Редактор РТП2000 позволяет использовать предлагаемую модель в общих технологических процессах, в системе размерного анализа и подсистеме синтеза технологии. Основным интерфейсным элементом для описания детали и заготовки в редакторе РТП2000 является панель «поверхности детали и заготовки» (Рис. 1). Она содержит поле (слева) для визуализации проектируемой детали. В этом поле показывается геометрия одного координатного направления, причем можно, показывая деталь, прорисовать фоновым цветом заготовку и наоборот. Тело детали (заготовки) выделяется цветом. Объект может быть показан с каждой стороны главной оси в сечении или снаружи (прорисовка с одной стороны может быть отключена). В средней части располагается панель для выбора типа детали и группы элементов формы. В ее нижней части располагаются таблицы для записи значений геометрических и других параметров ЭФ. В правой части располагается список элементов формы выбранного координатного направления. Выбор ЭФ можно осуществлять указанием мышкой в левой панели, причем выбранные элементы выделяются цветом, или в списке элементов.

Рис. 1 Панель описания детали и заготовки

Модель

может

быть

импортирована

в

графический

редактор,

поддерживающий стандарты DXF или KSF (например, в Компас).

3. Синтез операционного технологического процесса Как уже отмечалось выше, синтез операционных технологий связан со многими трудностями из-за большого числа параметров. Наибольшие из них возникают при генерации схем простановки операционных размеров, число которых, даже при наличии ограничений связанных с базированием детали, велико. Как следствие, перебор всех вариантов схем простановки операционных размеров с целью поиска оптимального из них требует длительных вычислений.

Для решения этой проблемы авторами применен эволюционный способ решения задач оптимизации на основе генетического алгоритма, который пока не использовался для синтеза технологий. Его использование минимизирует время поиска оптимального решения. Суть постановки задачи синтеза рассмотрим, используя традиционно принятую в этом способе терминологию. В

качестве

свойств

особей

популяции

рассматриваются

параметры

производственной среды, параметры детали и заготовки, схемы операционных размеров и параметры размеров. Популяция здесь представляется набором вариантов технологических процессов. Приспособленность к выживанию особей популяции определяется стоимостными параметрами технологии и результатами размерного анализа. Популяции с отрицательными результатами размерного анализа отбрасываются, а популяции с лучшими стоимостными параметрами имеют большую вероятность создания потомков, которые генерируются в процессе мутации свойств родителей. Генетический алгоритм реализует итерационный

процесс. В начале его

работы случайным образом генерируется первая популяция. На каждом следующем шаге алгоритм реализует оценку приспособленности, отбор лучших особей, кроссовер и мутацию. Таким образом, из поколения в поколение, хорошие характеристики распространяются по всей популяции и, в конечном итоге, процесс сходиться к оптимальному решению. 3.1. Математический аппарат генетического алгоритма По материалам сайта BaseGroup Labs.htm Генетические алгоритмы предназначены для решения задач оптимизации. Примером подобной задачи может служить обучение нейросети, то есть подбора таких значений весов, при которых достигается минимальная ошибка. При этом в основе генетического алгоритма лежит метод случайного поиска. Основным недостатком случайного поиска является то, что нам неизвестно сколько понадобится времени для решения задачи. Для того, чтобы избежать таких расходов времени при решении задачи, применяются методы, проявившиеся в

биологии. При этом используются методы открытые при изучении эволюции и происхождения видов. Как известно, в процессе эволюции выживают наиболее приспособленные особи. Это приводит к тому, что приспособленность популяции возрастает, позволяя ей лучше выживать в изменяющихся условиях. Впервые подобный алгоритм был предложен в 1975 году Джоном Холландом (John

Holland)

в

Мичиганском

университете.

Он

получил

название

«репродуктивный план Холланда» и лег в основу практически всех вариантов генетических алгоритмов. Однако, перед тем как мы его рассмотрим подробнее, необходимо остановится на том, каким образом объекты реального мира могут быть закодированы для использования в генетических алгоритмах. 3.1.1. Представление объектов

Из биологии мы знаем, что любой организм может быть представлен своим фенотипом, который фактически определяет, чем является объект в реальном мире, и генотипом, который содержит всю информацию об объекте на уровне хромосомного набора. При этом каждый ген, то есть элемент информации генотипа, имеет свое отражение в фенотипе. Таким образом, для решения задач нам необходимо представить каждый признак объекта в форме, подходящей для использования в генетическом алгоритме. Все дальнейшее функционирование механизмов генетического алгоритма производится на уровне генотипа, позволяя обойтись без информации о внутренней структуре объекта, что и обуславливает его широкое применение в самых разных задачах. В наиболее часто встречающейся разновидности генетического алгоритма для представления генотипа объекта применяются битовые строки. При этом каждому атрибуту объекта в фенотипе соответствует один ген в генотипе объекта. Ген представляет собой битовую строку, чаще всего фиксированной длины, которая представляет собой значение этого признака.

3.1.2. Кодирование признаков, представленных целыми числами

Для кодирования таких признаков можно использовать самый простой вариант – битовое значение этого признака. Тогда нам будет весьма просто использовать ген определенной длины, достаточной для представления всех возможных значений такого признака. Но, к сожалению, такое кодирование не лишено недостатков. Основной недостаток заключается в том, что соседние числа отличаются в значениях нескольких битов, так например числа 7 и 8 в битовом представлении различаются в 4-х позициях, что затрудняет функционирование генетического алгоритма и увеличивает время, необходимое для его сходимости. Для того, чтобы избежать эту проблему лучше использовать кодирование, при котором соседние числа отличаются меньшим количеством позиций, в идеале значением одного бита. Таким кодом является код Грея, который целесообразно использовать в реализации генетического алгоритма. Значения кодов Грея рассмотрены в таблице ниже:

Двоичное кодирование

Кодирование по коду Грея

Десятичный код

Двоичное значение

Шестнадцатеричное значение

Десятичный код

Двоичное значение

Шестнадцатеричное значение

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

0h 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 9h Ah Bh Ch Dh Eh Fh

0 1 3 2 6 7 5 4 12 13 15 14 10 11 9 8

0 1 11 10 110 111 101 100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000

0h 1h 3h 2h 6h 7h 5h 4h Ch Dh Fh Eh Ah Bh 9h 8h

Таблица 1. Соответствие десятичных кодов и кодов Грея.

Таким образом, при кодировании целочисленного признака мы разбиваем его на тетрады и каждую тетраду преобразуем по коду Грея. В практических реализациях генетических алгоритмов обычно не возникает необходимости преобразовывать значения признака в значение гена. На практике имеет место обратная задача, когда по значению гена необходимо определить значение соответствующего ему признака. Таким

образом,

задача

декодирования

значения

генов,

которым

соответствуют целочисленные признаки, тривиальна. 3.1.4. Кодирование признаков, которым соответствуют числа с плавающей точкой

Самый простой способ кодирования, который лежит на поверхности – использовать битовое представление. Хотя такой вариант имеет те же недостатки, что и для целых чисел. Поэтому на практике обычно применяют следующую последовательность действий: 1. Разбивают весь интервал допустимых значений признака на участки с требуемой точностью. 2. Принимают значение гена как целочисленное число, определяющее номер интервала (используя код Грея). 3. В качестве значения параметра принимают число, являющиеся серединой этого интервала. Рассмотрим вышеописанную последовательность действий на примере: Допустим, что значения признака лежат в интервале [0,1]. При кодировании использовалось разбиение участка на 256 интервалов. Для кодирования их номера нам потребуется таким образом 8 бит. Допустим значение гена: 00100101bG (заглавная буква G показывает, что используется кодирование по коду Грея). Для начала, используя код Грея, найдем соответствующий ему номер интервала: 25hG>36h->54d. Теперь посмотрим, какой интервал ему соответствует… После

несложных подсчетов получаем интервал [0,20703125, 0,2109375]. Значит значение нашего параметра будет (0,20703125+0,2109375)/2=0,208984375. При

кодировании

нечисловых

данных

необходимо

предварительно

преобразовать их в числа. 3.1.5. Определение фенотипа объекта по его генотипу

Таким образом, для того, чтобы определить фенотип объекта (то есть значения признаков, описывающих объект) нам необходимо только знать значения генов, соответствующим этим признакам, то есть генотип объекта. При этом совокупность

генов,

описывающих

генотип

объекта,

представляет

собой

хромосому. В некоторых реализациях ее также называют особью. Таким образом, в реализации генетического алгоритма хромосома представляет собой битовую строку фиксированной длины. При этом каждому участку строки соответствует ген. Длина генов внутри хромосомы может быть одинаковой или различной. Чаще всего применяют гены одинаковой длины. Рассмотрим пример хромосомы и интерпретации ее значения. Допустим, что у объекта имеется 5 признаков, каждый закодирован геном длинной в 4 элемента. Тогда длина хромосомы будет 5*4=20 бит 0010

1010

1001

0100

1101

теперь мы можем определить значения признаков Признак

Значение гена

Двоичное значение признака

Десятичное значение признака

Признак 1

0010

0011

3

Признак 2

1010

1100

12

Признак 3

1001

1110

14

Признак 4

0100

0111

7

Признак 5

1101

1001

9

3.1.6. Основные генетические операторы

Как известно в теории эволюции важную роль играет то, каким образом признаки родителей передаются потомкам. В генетических алгоритмах за передачу признаков

родителей

потомкам

отвечает

оператор,

который

называется

скрещивание (его также называют кроссовер или кроссинговер). Этот оператор определяет передачу признаков родителей потомкам. Действует он следующим образом: 1. из популяции выбираются две особи, которые будут родителями; 2. определяется (обычно случайным образом) точка разрыва; 3. потомок определяется как конкатенация части первого и второго родителя. Рассмотрим функционирование этого оператора: Хромосома_1:

0000000000

Хромосома_2:

1111111111

Допустим разрыв происходит после 3-го бита хромосомы, тогда Хромосома_1:

0000000000

>>

000

1111111

Результирующая_хромосом

Хромосома_2:

1111111111

>>

111

0000000

Результирующая_хромосом

Затем с вероятностью 0,5 определяется одна из результирующих хромосом в качестве потомка. Следующий

генетический

оператор

предназначен

для

того,

чтобы

поддерживать разнообразие особей с популяции. Он называется оператором мутации. При использовании данного оператора каждый бит в хромосоме с определенной вероятностью инвертируется.

Кроме того, используется еще и так называемый оператор инверсии, который заключается в том, что хромосома делится на две части, и затем они меняются местами. Схематически это можно представить следующим образом: 000

1111111

>>

1111111

000

В принципе для функционирования генетического алгоритма достаточно этих двух генетических операторов, но на практике применяют еще и некоторые дополнительные операторы или модификации этих двух операторов. Например, кроссовер может быть не одноточечный (как было описано выше), а многоточечный, когда формируется несколько точек разрыва (чаще всего две). Кроме того, в некоторых реализациях алгоритма оператор мутации представляет собой инверсию только одного случайно выбранного бита хромосомы. 3.1.7. Схема функционирования генетического алгоритма

Теперь, зная как интерпретировать значения генов, перейдем к описанию функционирования

генетического

алгоритма.

Рассмотрим

схему

функционирования генетического алгоритма в его классическом варианте. 1. Инициировать начальный момент времени t=0. Случайным образом сформировать начальную популяцию, состоящую из k особей. B0 = {A1,A2,…,Ak) 2. Вычислить приспособленность каждой особи FAi = fit(Ai) , i=1…k и популяции в целом Ft = fit(Bt) (также иногда называемую термином фиттнес). Значение этой функции определяет насколько хорошо подходит особь, описанная данной хромосомой, для решения задачи. 3. Выбрать особь Ac из популяции. Ac = Get(Bt) 4. С определенной вероятностью (вероятностью кроссовера Pc) выбрать вторую особь из популяции Аc1 = Get(Bt) и произвести оператор кроссовера Ac = Crossing(Ac,Ac1). 5. С определенной вероятностью (вероятностью мутации Pm) выполнить оператор мутации. Ac = mutation(Ac). 6. С определенной вероятностью (вероятностью инверсии Pi) выполнить оператор инверсии Ac = inversion(Ac). 7. Поместить полученную хромосому в новую популяцию insert(Bt+1,Ac). 8. Выполнить операции, начиная с пункта 3, k раз. 9. Увеличить номер текущей эпохи t=t+1.

10. Если выполнилось условие останова, то завершить работу, иначе переход на шаг 2. Теперь рассмотрим подробнее отдельные этапы алгоритма. Наибольшую роль в успешном функционировании алгоритма играет этап отбора родительских хромосом на шагах 3 и 4. При этом возможны различные варианты. Наиболее часто используется метод отбора, называемый рулеткой. При использовании такого метода вероятность выбора хромосомы определяется ее приспособленностью, то есть PGet(Ai) ~ Fit(Ai)/Fit(Bt). Использование этого метода приводит к тому, что вероятность передачи признаков более приспособленными особями потомкам возрастает. Другой часто используемый метод – турнирный отбор. Он заключается в том, что случайно выбирается несколько особей из популяции (обычно 2) и победителем выбирается особь с наибольшей приспособленностью.

Кроме

того,

в

некоторых

реализациях

алгоритма

применяется так называемая стратегия элитизма, которая заключается в том, что особи с наибольшей приспособленностью гарантировано переходят в новую популяцию. Использование элитизма обычно позволяет ускорить сходимость генетического алгоритма. Недостаток использования стратегии элитизма в том, что повышается вероятность попадания алгоритма в локальный минимум. Другой важный момент – определение критериев останова. Обычно в качестве них

применяются

или

ограничение

на

максимальное

число

эпох

функционирования алгоритма, или определение его сходимости, обычно путем сравнивания приспособленности популяции на нескольких эпохах и остановки при стабилизации этого параметра.

4. Размерный анализ технологического процесса Методика размерного анализа технологических процессов довольно хорошо разработана. Определенную проблему составляет лишь механизм автоматического

выявления размерных цепей и методика их решение при наличии симметричных оси размеров. В связи с тем, что во многих случаях размерный анализ целесообразно выполнять автономно от синтеза структуры процесса, например для оценки созданного представлен

технологом автономным

вручную

варианта

компонентом

технологии,

(РА).

Он

модуль

реализует

анализа алгоритм,

представленный на рис. 2. Алгоритм автоматически выявляет размерные связи, определяет

последовательность

решение

цепей,

параметры

операционных

размеров, припуски и допуски.

Рис. 2 Схема алгоритма размерного анализа

Для построения таблицы размерных связей авторами разработан двухходовый алгоритм.

На первом проходе для выбранного замыкающего звена строится таблица связанных с ним размеров с проверкой замыкания цепи. Если замыкание не обнаружено, процесс повторяется для выявленных размеров, связанных с выявленными ранее размерами, и так далее. Здесь определенной проблемой является выявление момента прерывания работы алгоритма, актуального в случае отсутствия замыкания цепи. Момент прерывания можно определить как момент повторения уже выявленной цепочки размерных связей. Однако такой прием требует

значительный

вычислительных

ресурсов

и

времени.

Авторами

использован более простой метод, при котором цепь считается не построенной при выполнении

некоторого

числа

циклов

без

выявления

замыкания

цепи,

вычисляемого в зависимости от общего числа размеров. На втором проходе, который активируется при выявлении замыкания, осуществляется построение цепи, определение типа размеров

и вычисление

передаточных отношений. Для использования компонента РА необходимо представить заготовку, деталь и вариант технологического процесса в виде размерно–технологической схемы. На рис. 3 показана такая схема, созданная для простого валика в двух координатных направлениях – вдоль оси валика и перпендикулярно ей.

Рис. 3

Размерно – технологическая схема

Для машинного представления схемы разработан алгоритмический язык и средства его интерпретации. Если размерный анализ, по каким либо причинам, выполнить невозможно, он прерывается с выводом соответствующих сообщений и рекомендаций. Для управления анализом в редакторе РТП200 имеется специальная панель, показанная на рис. 4. Создание размерно-технологической схемы редактор РТП2000 способен выполнить автоматически на основе анализа операционных эскизов. На рис. 5 показана панель редактора РТП2000 для создания схемы операционных

размеров

технологического

перехода.

Операционный

эскиз

синтезируется на основе схем операционных размеров технологической операции

и может быть экспортирован в графический редактор в текстовом формате DXF (KSF).

Рис. 4 Панель размерного анализа

Система позволяет в процессе проектирования переходов указать или отредактировать схему простановки операционных и координирующих размеров, определить обрабатываемые поверхности, покрытия и их свойства. Чертеж детали и заготовки заимствуется из описания координатного направления детали или, при отсутствии такового, из чертежа, выполненного средствами графического редактора, например Компас. При использовании описанных выше возможностей система создает размерно-технологическую схему в виде описания на алгоритмическом языке и в графическом виде, готовом для ее экспорта в графический редактор, например в редактор Компас, в текстовом формате DXF (KSF). Результаты анализа (операционные размеры, припуски и допуски) автоматически передаются в описания переходов

При использовании модуля РА в составе системы синтеза она встраивается в генетический алгоритм с отключением средств диалога и

вывода сообщений

пользователю, а операционные эскизы создаются системой синтеза.

Рис. 5. Панель операционного эскиза

5. Создание геометрии детали 5.1. Регистрация детали Для создания новой детали ее необходимо зарегистрировать в иерархии объектов системы. Для этого в иерархии выбирается деталь с однотипным наименованием или обозначением (для минимизации вводимой информации) и правой кнопкой мышки вызывается опции добавить > деталь. В панельке ввода данных, куда копируются наименование и обозначение выбранной детали, обозначение и наименование детали уточняется и нажимается кнопка добавить, после чего в иерархии появляется новая деталь. Вновь созданный объект выбирается в иерархии объектов щелчком мышки и в панели свойств детали нажимается кнопка конструкторско-технологическая модель детали.

После появления окна поверхности детали и заготовки необходимо выбрать координатное направление (КН), в котором будет представлена геометрия. КН обозначаются буквами латинского алфавита от А до Z. Деталь может быть представлена в одном или нескольких КН.

5.2. Создание наружного контура Описание детали в обязательном порядке начинается с наружного контура, для которого по умолчанию создается базовая система координат. Процесс создания наружного контура очень прост. Достаточно с помощью мышки выбрать очередной элемент из библиотеки типовых элементов формы, указать его геометрические и точностные параметры и добавить элемент к геометрии детали. Элемент добавляется к детали с правой стороны. Система разрешает вставить новый элемент между другими элементами детали. В этом случае необходимо перед выбором нового элемента формы в библиотеке элементов мышкой указать геометрический элемент детали, на место которого будет вставлен этот элемент. В остальном действия подобны описанным ранее. Элементы основного контура детали можно редактировать в том числе и после наложения на них дополнительных элементов – фасок, резьб и пр. 5.3. Создание внутренних контуров Число внутренних контуров детали не ограничивается. Обычно это отверстия по оси детали или расположенные под некоторым углом к ней. Каждый внутренний контур описывается в собственной системе координат, с определения положения которой и начинается проектирование. Далее с помощью мышки нужно выбрать очередной элемент из библиотеки типовых элементов формы, указать его геометрические и точностные параметры и добавить элемент к геометрии детали. Элемент добавляется к контуру детали со стороны, имеющей большее значение координаты X.

5.4. Наложение дополнительных элементов формы Дополнительные элементы включаются в геометрию детали после создания основного и внутренних контуров. Для установки дополнительного элемента (скругление, фаска и т.п.) необходимо мышкой указать геометрический элемент детали, на который накладывается дополнительный элемент. В связи с тем, что дополнительные элементы связываются с одной из сторон выбранного элемента, необходимо при выборе элемента детали захватывать мышкой его правую или левую сторону.

На рисунке показано наложение фаски 1х45 на цилиндрическую ступень валика.

Для редактирования дополнительных элементов они выбираются в списке, расположенной в правой части панели. Контурные элементы можно так же выбирать в списке, но обычно более удобно их выбирать в левой панели, щелкая по геометрии детали мышкой.

6. Проектирование геометрии заготовки Проектирование технологии с использованием автоматического размерного анализа требуется наличие описания геометрии заготовки. К геометрии заготовки размерный анализ предъявляет особые требования: • заготовка должна быть однозначно связана с геометрией детали в каждом геометрическом направлении; • число поверхностей контура в заготовке должно соответствовать числу поверхностей детали; • необрабатываемые поверхности заготовки должны быть помечены специальным признаком; На данной стадии заготовка представляется не в окончательном виде (окончательные

параметры

заготовки

определяются

по

результатам

проектирования технологии). В системе геометрия заготовки может быть получена различными способами. Первый из них предполагает копирование поверхностей заготовки с исключением из расчета отсутствующих в заготовке поверхностей детали и коррекцию размеров ступеней. Второй учитывает рекомендуемый тип производства и тип заготовки – прокат, штамповка обычная, штамповка на ГКМ, отливка. Этот способ реализуется разными алгоритмами оптимизации геометрии, обеспечивающими рекомендуемый коэффициент использования материала. Например, алгоритм проектирования штамповки на ГКМ последовательно применяет стратегии: • пытается применить гладкий прокат; • пытается создать заготовку с одним утолщением;

• пытается создать заготовку с минимальным числом ступеней. Пример спроектированной таким образом штамповки показан на следующем рисунке.

Для активации процесса проектирования необходимо щелкнуть правой кнопкой мышки на переключателе «деталь-заготовка» и в появившемся меню выбрать опцию «проектировать заготовку».

7. Обучение системы Информационной

основой

системы

автоматического

проектирования

единичного процесса в системе является общая технология (смотри методическое пособие «Создание общих маршрутов в редакторе технологических процессов РТП2000»). Общий маршрут создается для определенного технологического класса деталей (в единственном варианте). Принципиальным моментом здесь является описание в каждом переходе, связанным с обработкой некоторой типовой поверхности, связи поверхности с переходом. Для этого в системе используется специальная панель «элементы формы». В данной панели переход связывается с основным элементом формы, но можно указать и до двух дополнительных элементов, которые обрабатываются вместе с основным элементом. Кроме этого указывается предполагаемое положение элемента в детали – по оси, параллельно оси, под углом к оси и пр.

Необходимо выбрать схему поиска поверхности в детали – крайняя слева или справа, слева включая максимальный диаметр и т.п.

Подобное описание позволяет, записав только один переход для некоторой типовой поверхности, получить на его основе любое число переходов в единичном процессе, соответствующее числу подобных поверхностей в детали (которое на стадии обучения системы пока не известно).

8. Проектирование единичного технологического процесса Единичный технологический процесс проектируется следующем образом. Сначала создается деталь. Для нее назначается конструкционный материал и выполняется описание геометрии. После этого в панельке свойств выбирается технологический класс детали. Если для подобного технологического класса ранее разработан общий технологический процесс он находится в базе данных и активируется.

В

результате

технологический процесс.

к

детали

присоединяется

спроектированный

Литературные источники Корчак

С.Н.

и

др.

технологических процессов,

Системы

автоматизированного

проектирования

приспособлений и режущих инструментов. // М.:

Машиностроение, 1988. - 350с. Поспелов

Д.А.

Продукционные

модели.

Искусственный

интеллект.

Справочник под ред. Поспелова Д.А. // -М.: Радио и связь, 1990. - т.2.-с.49-56. Белашов

А.В.

Структурный

синтез

технологических

процессов

в

интегрированных САПР на основе использования искусственных нейронных сетей. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Матвеев В.В., Тверской М.М., Бойков Ф.И. и др. Размерный анализ технологических процессов // М.: Машиностроение, 1982.- 320 c. Исаев С. Популярно о генетических алгоритмах. // http://algolist.manual.ru