Построение САПР
технологии ковки валов на прессах с использованием гибридного подхода
С.И.
Канюков,
вед. инж.,
к.т.н., доц.,
С.В. Арзамасцев,
с.н.с.,
к.т.н., доц.,
А.В. Коновалов,
зав.
лаб., д.т.н., проф., lmd@imach.uran.ru,
ИМАШ УрО РАН, г. Екатеринбург
Опыт разработки и
внедрения САПР технологии ковки различных типов поковок на молотах и прессах [1
– 4] показывает, что автоматизированное проектирование технологических
процессов в рассматриваемой области является сложной, трудноформализуемой
задачей. Сложность заключается в том, что решения ряда задач проектирования
технологии, принимаемые технологом на основе собственного опыта при обычном
(ручном) способе проектирования, зачастую не только не поддаются строгой
формализации, но иногда и противоречат технологическим инструкциям предприятия,
которые разработчики САПР вынуждены закладывать в соответствующие алгоритмы.
Применительно
к САПР технологии ковки валов на прессах к таким решениям, например, можно
отнести расчет размеров ступеней заготовки типа вала ротора в предпоследнем и
последнем выносах, когда длина ротора превышает 10 метров и по технологическим
ограничениям не позволяет отковать все ступени в окончательные размеры в
последнем выносе из-за несоответствия скорости ковки и скорости остывания
заготовки. На
практике в этом случае поступают так: в предпоследнем выносе отковывают в
окончательные размеры только половину вала, полученную заготовку снова
нагревают и в последнем выносе отковывают вторую половину. При
этом уковы ступеней первой половины вала в последнем
выносе оказываются равными единице, что противоречит ограничению по
минимально-допустимым уковам ступеней заготовки в
последнем выносе.
Обычно в подобных
ситуациях разработчики САПР закладывают в систему алгоритмы,
учитывающие все технологические ограничения и предлагают
пользователям-технологам на основе собственного производственного опыта вносить
исправления в полученные решения в режиме активного диалога с использованием
графического интерфейса.
Однако, при таком подходе,
производственный опыт технолога используется системой только в данном,
конкретном варианте проектирования и не обобщается на другие варианты.
В тоже время
сформированная база данных всех технологических процессов
очевидно отражает производственный опыт технологов и специфику кузнечного
производства данного предприятия.
Задача состоит в том,
чтобы использовать эту информацию при решении трудноформализуемых
задач в новых проектах.
Перспективным для
решения подобных задач представляется применение гибридного подхода [5], суть
которого заключается в реализации двух этапов проектирования.
На первом этапе
проектирование технологического процесса осуществляется на основе алгоритмов
(правил) проектирования, в соответствии с которыми входная информация о детали
(вале), получаемая из конструкторского чертежа детали, последовательно
преобразуется в технологическую документацию, представляющую чертеж поковки и
карту технологического процесса ковки. Этот этап называется генерирующей схемой
или проектированием на основе модели [5].
На втором этапе
пользователь анализирует полученную по генерирующей схеме карту
технологического процесса ковки и при необходимости вносит корректировки в
результаты проектирования в режиме активного диалога. При этом корректировка
предусматривается в двух вариантах: безусловное изменение решений самим
пользователем либо автоматический поиск подходящих вариантов решений в базе
данных. В последнем случае реализуется вариантная схема или проектирование на
основе опыта [5]. Отметим, что второй этап проектирования не обязателен, если
на первом этапе автоматического проектирования получено удовлетворяющее
пользователя решение.
Вариантную схему можно
рассматривать как альтернативную схему, применяемую вместо графического диалога
с пользователем. Ситуация, при которой возникает необходимость в применении
вариантной схемы, может наступить в результате отсутствия или неприемлемости
автоматического решения, когда технолог захочет использовать ранее накопленные
сведения из базы данных.
Перечень основных задач,
решаемых САПР проектирования технологии ковки валов на прессах с отражением
точек возможного использования вариантной схемы приведен в таблице 1.
Группа стали
(углеродистые, низколегированные, легированные, высоколегированные,
высокоуглеродистые, нержавеющие, жаропрочные и др.) определяется по марке
материала и влияет на значения минимально допустимых уковов по выносам. Вариантная схема не используется.
При моделирования переходов ковки валов
все выносы, применяемые в процессе ковки, разделены на две группы:
подготовительные и основные. К подготовительным отнесены
выносы, во время которых производятся биллетировка
слитка, его осадка (при необходимости) и ковка (протяжка) цилиндрической
заготовки, к основным - выносы, во время которых из полученной цилиндрической
заготовки формируются ступени поковки.
Задача определения
размеров заготовок в подготовительных выносах достаточно хорошо формализована и
обычно затруднений не вызывает. В то же время, если определены количество
основных выносов 
и количество ступеней
заготовки в каждом основном выносе 
, 
=1, 2,…, , то по значениям минимально допустимых уковов с учетом рекомендаций [6] можно рассчитать размеры
ступеней заготовки в каждом отдельном выносе.
Таблица
1
Перечень основных задач САПР ТП ковки
валов на прессах
|
№ |
Основные задачи проектирования
технологического процесса ковки валов на прессах |
Вариантная схема |
|
1 |
Определение группы стали. |
Нет |
|
2 |
Определение количества основных
выносов. |
Да |
|
3 |
Определение количества ступеней
поковки в каждом основном выносе. |
Да |
|
4 |
Определение возможности ковки всех
ступеней поковки с необходимым уковом
в последнем выносе |
Да |
|
5 |
Расчет угара (в
%) |
Нет |
|
6 |
Выбор типа слитка |
Да |
|
7 |
Окончательный выбор слитка.
Определение веса прибыли, поддона, угара, отходов. |
Нет |
|
8 |
Выбор пресса. |
Да |
|
9 |
Определение необходимости операции
осадки. |
Да |
|
10 |
Расчет размеров биллета, цапфы,
осаженного слитка, протянутого круга. Выбор инструмента. |
Нет |
|
11 |
Расчет общего укова. |
Нет |
|
12 |
Расчет размеров ступеней поковки в
каждом основном выносе. Выбор инструмента. |
Нет |
|
13 |
Выбор наименований операций.
Определение режимов нагрева и норм времени на ковку. |
Нет |
Сама же задача расчета и , =1, 2,…, относится к трудноформализуемым и для ее решения может использоваться
вариантная схема.
Вопрос определения возможности ковки всех ступеней поковки с
необходимым уковом в последнем выносе уже
рассматривался в начале доклада. Очевидно, что решение этого вопроса, приводящее
к нарушению технологических ограничений по уковам,
требует применения вариантной схемы.
Значение угара (в %) рассчитывается в зависимости
от группы стали и количества основных выносов. Вариантная схема не применяется.
Выбор типа слитка
(нормальный прибыльный, удлиненный прибыльный, двухконусный
ступенчатый и др.) в большой степени зависит от возможностей литейного цеха
предприятия, поэтому использование вариантной схемы является актуальным.
Задача окончательного
выбора слитка заключается в определении его веса в зависимости от выхода
годного, веса поковки и отходов и решается на основе генерирующей схемы.
Выбор пресса по
генерирующей схеме зависит от веса выбранного слитка и грузоподъемности
манипулятора. Однако на выбор пресса влияют и такие факторы, как загрузка парка
прессов и традиции производства кузнечного цеха, учитываемые при применении
вариантной схемы.
Важной задачей при
проектировании технологического процесса ковки является принятие решения о
применении операции осадки выбранного слитка. Следует отметить, что исключение
операции осадки требует, как правило, замены выбранного слитка на слиток
большего веса, но зато позволяет сократить количество выносов. Поэтому при
решении этой задачи необходимо учитывать традиции проектирования, сложившиеся на
предприятии, т.е. использовать вариантную схему.
Остальные задачи,
приведенные в таблице 1, решаются на основе генерирующей схемы проектирования.
Рассмотрим подробнее
основные этапы применения гибридного подхода в САПР технологии ковки валов на
прессах.
Входной информацией для
САПР служит информация о спроектированной (исходной) поковке, конечной целью
является выборка из базы данных уже спроектированного техпроцесса родственной
поковки, наиболее подобной исходной поковке. Согласно теории построения гибридных
систем [5] для решения данной задачи необходимо определить характеристические
параметры, являющиеся критериями сравнения поковок.
В САПР технологии ковки
валов на прессах в качестве характеристических параметров выбраны следующие:
,
– группы стали исходной и родственной поковок;
,
– количество ступеней в исходной и родственной поковке;
веса исходной и родственной поковок;
– критерии сложности
исходной и родственной поковок;
– критерий схожести
исходной и родственной поковок.
Выборка родственных
поковок из базы данных производится по следующему алгоритму.
1.
Выборка
из базы данных множества 
поковок по критериям:
=, 
, 
,
где 
, 
- соответственно
половина ширины доверительного интервала для количества ступеней и веса.
Принято: 
, 
составляет 20% от
значения 
.
2.
Расчет
критериев сложности 
и 
(
где 
количество поковок во
множестве 
) исходной и родственной поковок. В обоих случаях в качестве
критерия сложности выбрана характеристика относительного смещения объема
поковки по отношению к соответствующей цилиндрической заготовке, имеющей ту же
габаритную длину и объем.
,
где
,
- геометрические
объекты: поковка и ее цилиндрическая заготовка соответственно; 
- функция вычисления
объема геометрического объекта. Числитель приведенного выражения представляет
собой суммарный объем тех частей ступеней поковки, которые выходят за пределы
цилиндрической заготовки либо находятся в ее границах. Он рассчитывается по
следующей формуле
,
где 
равно или 
; 
диаметры и длины ступеней поковки; 
диаметр цилиндрической заготовки.
3.
Выборка
из подмножества 
поковок по критерию
,
где 
- половина ширины
доверительного интервала для критерия сложности. Принято: составляет 15% от
значения 
.
4.
Расчет
критериев схожести исходной и родственных
поковок, принадлежащих подмножеству . В качестве критерия схожести выбрана характеристика
смещения объема исходной поковки по отношению к
родственной, имеющей ту же габаритную длину после проведенного масштабирования.
Операция масштабирования предполагает вычисление масштабного коэффициента (отношение
габаритной длины родственной поковки к габаритной длине исходной поковки) и
последующее изменение размеров родственной поковки пропорционально этому
коэффициенту.
Критерий схожести вычисляется по формуле
.
Очевидно, что 
. Чем больше значение критерия , тем ближе родственная поковка к исходной.
5.
Выборка
из подмножества поковки с максимальным
значением и варианта соответствующего
ей технологического процесса.
В случае, если пользователь по каким-либо причинам отвергнет
предложенный системой вариант решения, у него есть возможность рассмотреть
другие варианты из подмножества в порядке уменьшения .
Следует отметить, что
пользователь имеет возможность управлять шириной доверительных интервалов 
и тем самым расширять
или сужать подмножество родственных поковок 
.
Рассмотренная
схема построения САПР технологии ковки валов на прессах с использованием
гибридного подхода реализует принципы самообучения системы путем накопления
знаний в базе готовых решений, что в свою очередь облегчает процесс ее
тиражирования и обеспечивает успешную работу с ней даже неквалифицированному
персоналу, поскольку позволяет аккумулировать проектный опыт для поколения
новых технологов, подсказать им решения на различных этапах проектирования,
поможет принять решение
в нестандартной ситуации.
Литература
1. Коновалов А.В., Арзамасцев
С.В., Шалягин С.Д., Муйземнек
О.Ю., Гагарин П.Ю. Интеллектуальная САПР технологических процессов ковки валов
на молотах // Заготовительные производства в машиностроении. - 2010. № 1. - С.
20–23.
2. Чесноков В.С., Каплунов Б.Г., Возмищев Н.Е. и др. Разработка и применение программного
обеспечения для автоматизированного проектирования и моделирования процессов
ковки и горячей штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка
материалов давлением. - 2008. № 9. - С. 36-44.
3. Канюков С.И., Арзамасцев
С.В. Система автоматизированного проектирования технологии ковки ступенчатых
валов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. - 1995. № 9. - С. 13-14.
4. Канюков С.И., Арзамасцев
С.В. Система автоматизированного проектирования технологии ковки штамповых
кубиков // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. - 1998. № 9. - С. 13-15.
5. Люгер Д. Ф. Искусственный интеллект:
стратегии и методы решения сложных проблем, 4-е издание. :Пер.
с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. - 864 с.
6.
Арзамасцев
С.В. Определение количества выносов и промежуточных размеров заготовки в САПР
технологии ковки ступенчатых валов на прессах // Кузнечно-штамповочное
производство. Обработка металлов давлением. - 1997. № 11. - С. 18-20.