Гибридная интеллектуальная САПР ТП ковки на молотах

А.В. Коновалов,
зав. лаб., д.т.н., проф., avk@imach.uran.ru,

С.В. Арзамасцев,

с.н. с., к.т.н. доц.,sav@imach.uran.ru,

О.Ю.Муйземнек,
с.н.с., к.т.н., olga@imach.uran.ru,

ИМАШ УрО РАН, г. Екатеринбург

Описаны принципы построения, возможности и область применения интеллектуальной гибридной системы автоматизированного проектирования (САПР) технологических процессов (ТП) ковки на молотах, сочетающей проектирование на основе модели и накопленного опыта.

Principles of construction, possibilities and applications of hybrid intelligent computer-aided design system of forging process on hammers, which combines model-based design and the gained experience, are described.

Автоматизированное проектирование параметров технологических процессов ковки на молотах в нашей стране стало развиваться с конца 60-х годов прошлого столетия и прошло в своём развитии различные этапы. В основе требований к САПР ТП ковки лежит само кузнечное производство, которое в силу законов свободного деформирования металла не может быть строго формализовано, как, например, это можно сделать для процессов механической обработки сталей и сплавов. Поэтому в системах автоматизированного проектирования техпроцессов ковки всегда уделяли большое внимание разработке интерактивных методов. Специфика кузнечного производства такова, что для разработки САПР приходится изучать особенности конкретного предприятия и, как следствие, невозможно тиражировать ранее разработанные системы без существенной переработки алгоритмов и программ. Но на разработку новых или даже адаптацию существующих систем к условиям производства уходит достаточно много времени. Решить проблему адаптируемости и исключения необходимости разработки новых систем для каждого конкретного предприятия может переход к новому типу так называемых гибридных систем, что для кузнечно-штамповочного производства применяется впервые.

Кратко излагая суть гибридного подхода, можно сказать, что в обычную интерактивную систему проектирования внедряются средства, извлекающие знания из накопленной в базе данных (БД) информации и использующие её для проектирования в тех случаях, когда не справляются основные алгоритмы, заложенные в систему.

Таким образом, гибридную САПР можно рассматривать как интерактивную систему, реализующую в общем случае два этапа проектирования.

На первом этапе, который можно назвать генерирующей схемой или проектированием на основе модели, проектирование осуществляется на основе алгоритмов, разработанных согласно нормативно-справочной документации на технологический процесс ковки. Входным источником информации для первого этапа служит информация о детали. Результирующим выходным документом является карта технологического процесса ковки с эскизом поковки, размерами промежуточных переходов, перечнем технологических операций, режимами термообработки, нормативами времени на ковку и всеми необходимыми технико-экономическими показателями, включающими веса поковки и заготовки. Первый этап проектирования в идеальном случае работает в полностью автоматическом режиме. При невозможности или многозначности в решении отдельных задач на первом этапе возможен диалог с пользователем по заранее предопределённым алгоритмам. Но интерактивный диалог ещё не является признаком гибридной системы, т.к. в диалоге пользователь использует личные (экспертные) знания предмета проектирования и, как правило, не опирается на свои предыдущие решения, реализованные в ранее спроектированных техпроцессах. При достаточно хорошо проработанных алгоритмах функционирования системы (включая диалог) первый этап заканчивается получением приемлемой проектной документации в виде карты технологического процесса, и проектирование на этом можно считать законченным. Пользователь анализирует полученную информацию и при необходимости переходит ко второму этапу.

На втором этапе пользователь анализирует полученное решение и при необходимости корректирует его. При этом корректировка предусматривается в двух вариантах: в режиме диалога или автоматического поиска вариантов решений, с использованием ранее накопленной в базе данных информации. В последнем случае реализуется вариантная схема или проектирование на основе опыта.

Теоретически вариантную схему проектирования можно использовать автономно и на первом, и на втором этапе проектирования, но с практической точки зрения её применение целесообразно, когда исчерпаны все возможности автоматического и интерактивного проектирования.

Первый этап, или генерирующая схема проектирования технологического процесса, может быть основана на различных теориях искусственного интеллекта, среди которых можно отметить объектно-ориентированную технологию, нейронные сети, мультиагентный подход. Авторами разработана и успешно функционирует на промышленном предприятии объектно-ориентированная САПР ТП ковки ступенчатых валов [1,2]. Однако, даже основанная на объектно-ориентированной технологии, система обладает рядом недостатков, в частности, она не в состоянии приспособиться к быстро меняющимся условиям производства, поскольку привязана к алгоритмам проектирования. Они же, в свою очередь, меняются для каждого конкретного производства. Зачастую возникают ситуации, когда в результате корректировок пользователем параметры процесса проектирования выходят за допустимые пределы или становятся неопределёнными. Порой сам пользователь не может на основе своего опыта выбрать схему решения или критерий для продолжения проектирования.

При возникновении неопределённости в решении подключается вариантная схема, которая на основе имеющихся в базе данных сведений о всех спроектированных процессах подбирает ближайший подходящий вариант по характеристическим параметрам. Разработка характеристических числовых параметров, определяющих близость подобранного варианта, который называется базовым вариантом, проектируемому техпроцессу, является главной задачей при разработке гибридной системы.

рис.1. Схема работы гибридной системы

Гибридная система по существу объединяет в себе преимущества проектирования на основе модели и на основе опыта. Следует отметить, что к гибридной системе предъявляются дополнительные требования. Например, в БД необходимо хранить промежуточные значения параметров ТП, т.к. они могут быть использованы при определении значений параметров для нового ТП. К таким промежуточным параметрам можно отнести коэффициенты увеличения припусков, угар, перечень и значения назначенных припусков и напусков, другие расчетные коэффициенты.

Схема функционирования гибридной интеллектуальной САПР ТП ковки приведена на рисунке 1. Сначала технолог вводит исходные данные: геометрию детали, материал, требования механических испытаний и др. Введенная информация используется системой для автоматизированного проектирования поковки и ТП. Если пользователь удовлетворен полученным результатом, то он утверждает спроектированный ТП и записывает его в БД. Описанная часть является генерирующей веткой в схеме работы системы.

При возникновении проблемы в ходе проектирования ТП начинает работать вариантная схема проектирования. Система осуществляет поиск похожих случаев в БД. Алгоритм поиска основан на сравнении характеристических параметров исходного и имеющихся в базе данных технологических решений. В качестве параметров используются как исходные данные текущего и базовых техпроцессов, так и промежуточные параметры, полученные непосредственно в ходе проектирования. Примеры характеристических параметров представлены в таблице. Менее значимые параметры ТП не используются для выбора окончательного базового варианта, т.к. являются производными от характеристических параметров.

Сравнение характеристических параметров базового и нового вариантов осуществляется разными способами. Для ряда параметров, таких как выбранное оборудование и тип поковки, применяется сравнение по точному совпадению их значений. Для других параметров, например габаритных размеров деталей и поковок, рассматривается совпадение с допустимым расхождением их значений при сравнении. Если значение параметров неизвестно, то сравнение по ним не производится. Каждому характеристическому параметру ТП соответствует весовой коэффициент q. Для оценки близости вариантов ввели индекс схожести S, который рассчитывается согласно формуле:

,

где q_i – весовой коэффициент i-го параметра; k_i - индикаторная функция, которая принимает значение 1, если i-е параметры вариантов ТП одинаковые или различны в пределах допуска, и равна 0 в противном случае; n - количество сравниваемых параметров. Индекс схожести округляется до сотых. Приняли считать схожими вариантами те, для которых индекс схожести больше или равен 0,7.

Таблица

Перечень характеристических параметров ТП поковок типа дисков и втулок

Параметр	Весовой коэффициент,	Способ сравнения
Отношение габаритов детали	1	Сравнение с допуском 10%
Отношение габаритного диаметра и диаметра отверстия	1	Сравнение с допуском 10%
Наличие бурта	1	Точное совпадение
Наличие выемок	1	Точное совпадение
Наличие фланца	1	Точное совпадение
Отношение высоты к диаметру фланца	1	Сравнение с допуском 10%
Отношение размеров поперечных сечений фланца и уступа	0,5	Сравнение с допуском 10%
Тип поковки	1	Точное совпадение
Ковочное оборудование	1	Точное совпадение
Подкладной инструмент	0,5	Точное совпадение
Перечень операций (схема ковки)	0,5	Точное совпадение
Вид заготовки	0,3	Точное совпадение
Размер профиля заготовки	0,3	Сравнение с допуском 10%

Базовый вариант выбирается согласно следующему алгоритму.

Среди найденных схожих вариантов за базовый принимается вариант с наибольшим значением индекса схожести.

Если наибольший индекс схожести имеют несколько вариантов, то они разделяются по способу проектирования. Наибольшее предпочтение при выборе базового варианта отдается вариантам, спроектированным вручную.

Если после второго шага осталось несколько вариантов, то базовый вариант выбирается по актуальности ТП. Наибольшее предпочтение отдается актуальным (находящимся в производстве) ТП. Менее предпочтительно использовать в качестве базового варианта архивные (снятые с производства) ТП. Значения весовых коэффициентов определяются на основе анализа базы ТП предприятия. Найденный базовый вариант приспосабливается механизмом адаптации САПР ТП для получения нового ТП, причем значения параметров нового ТП определяются одним из трех способов.

1. Принимаются равными значениям из базового варианта. Данный способ применим для таких параметров как оборудование, вид заготовок, инструменты, параметры термообработки, температурный интервал ковки, схемы строповки и др.

2. Вычисляются согласно схеме расчета базового варианта ТП. В данном случае из базового варианта ТП берется набор операций ковки, а значения параметров операций вычисляются согласно новым исходным данным.

3. Рассчитываются по модели процесса проектирования (алгоритмам генерирующей схемы проектирования). Подобным образом определяются значения таких параметров, как нормы расхода материалов, нормы времени, отходы ковочных операций, либо значения параметров, которые отсутствуют в базовом варианте.

Полученный новый вариант ТП принимается технологом и сохраняется в БД. Если системе не удалось найти похожий вариант или адаптировать базовый вариант к исходным данным, то пользователю предлагается найти решение самому. Полученный пользователем ТП будет сохранен в БД, следовательно, может быть использован в подобной ситуации в дальнейшем.

Рассмотрим работу в гибридной системе на примере проектирования молотовой поковки ступенчатого вала. Сначала поковки проектируются автоматически, т.е. по генерирующей схеме.

Анализ таких поковок показал, что на этапе проверки выполнимости поковки не всегда назначение напусков по ГОСТ 7829–70 позволяет получить поковку наименьшего объема (веса). Такие ситуации возникают при появлении в поковке невыполнимых ступеней или наличии в детали конической ступени. Невыполнимыми считаются короткие ступени при определённых отношениях диаметра к длине. Задача доведения размеров ступеней поковки до выполнимых является достаточно сложной и многовариантной. Обеспечение выполнимости размеров ступени поковки за счёт увеличения её длины может привести к тому, что соседние ступени окажутся невыполнимыми, поэтому формирование геометрии поковки на этапе назначения дополнительных напусков существенно зависит от последовательности проверки выполнимости ступеней. Алгоритм, описанный в нормативной документации (ГОСТ 7829-70), задает лишь одну последовательность действий. Для повышения функциональных возможностей САПР ТП ковки ступенчатых валов на молотах в ней реализован дополнительный алгоритм проектирования, основанный на рассмотрении различных схем получения выполнимой поковки и поиска среди них оптимальной поковки с наименьшим объемом.

Таким образом, система позволяет получать поковки трех модификаций: 1) автоматически спроектированные, 2) полученные перебором различных схем получения выполнимой поковки; 3) скорректированные вручную в графическом редакторе. Все спроектированные поковки хранятся в базе данных системы. Первые две модификации поковок получают в генерирующей схеме САПР, а третья модификация – в вариантной схеме. Наибольший интерес среди них представляют поковки, вручную скорректированные технологом и учитывающие опыт его работы при решении конкретных ситуаций. Актуальным является вопрос, какие объекты базы данных использовать в качестве исходных для подбора базового варианта. В выборке могут участвовать все поковки, автоматически спроектированные поковки или поковки, спроектированные вручную. Может показаться, что автоматические решения не должны участвовать в вариантной схеме по определению. На самом деле это не так. С точки зрения получения родственной (схожей) поковки не имеет особого значения способ её конструирования. Возможно, именно среди ранее спроектированных «автоматических» поковок окажется поковка, удовлетворяющая целевой функции, например, имеющая минимальный объём и, следовательно, вес. Нельзя априори утверждать, что все автоматически спроектированные поковки «хуже» данной, поскольку для их проектирования использовались другие исходные данные, что могло привести к совершенно другим алгоритмам решения.

На рис. 2 приведена поковка, спроектированная на основе правил, на рис. 3
- по алгоритму поиска поковки с наименьшим объемом. В первом случае невыполнимыми оказываются ступени 2 и 4 (уступы), после того, как их размеры доводятся до выполнимых, невыполнимой становится выемка (ступень 3), на нее назначают дополнительный напуск. Вес первой поковки равен 73,9 кг. Во втором случае последовательность назначения дополнительных напусков изменена. Сначала объединяются 1 и 2 ступени, объединенная ступень становится выполнимой, а невыполнимой оказывается только ступень 4 (уступ).

После назначения на нее дополнительного напуска выемка (ступень 3) оказывается выполнимой, и вес поковки уменьшится до 65,9 кг. Таким образом, при помощи алгоритма перебора была получена поковка меньшего объема.

рис. 2. Поковка, автоматически спроектированная на основе ГОСТ 7829–70

Теперь представим, что поковка, приведённая на рис. 3, была получена вариантным способом и сохранена в базе данных. Независимо от того, была ли поковка на рис. 3 получена с помощью оптимизационного алгоритма или спроектирована вручную в режиме диалога, гибридная система позволила бы найти этот улучшенный вариант решения, что практически невозможно в одноуровневой системе.

рис. 3. Поковка, автоматически спроектированная по алгоритму поиска поковки с наименьшим объёмом

Рассмотренная схема работы гибридной интеллектуальной САПР ТП демонстрирует принципы обучения системы и накопления знаний. Подобная схема позволяет решать, по крайней мере, три проблемы автоматизации проектных работ кузнечного производства.

Первая проблема заключается в том, что на каждом предприятии кузнечное производство имеет свою специфику, сложившиеся традиции и индивидуальные особенности, что требует адаптации САПР ТП для конкретного предприятия и усложняет процесс её тиражирования. Схема вариантного проектирования позволяет накопить собственную базу готовых решений для разработки ТП.

Вторая проблема, с которой сталкиваются предприятия, связана с необходимостью разработки ТП в короткие сроки для оценки стоимости продукта стороннего заказчика. Сторонние заказы обладают собственной спецификой, поэтому для них готовое решение в БД может отсутствовать. В гибридной интеллектуальной САПР ТП эта проблема решается посредством проектирования на основе модели, которая в автоматическом режиме проектирует ТП и позволяет быстро оценить необходимые работы по производству продукции.

Третья проблема на предприятиях связана с нехваткой квалифицированных технологов. Предприятия вынуждены сами обучать персонал в условиях реальной работы. САПР ТП ковки позволяет аккумулировать проектный опыт для поколения новых технологов, подскажет им решения в схожих случаях на различных этапах проектирования, поможет принять решение в нестандартной ситуации.

В развитии работ авторами планируется разработка инструмента автоматизации определения весов характеристических параметров по обучающей выборке реальных ТП конкретного предприятия. Кроме того, важным является разработка механизма объяснения пользователю принятых системой решений при проектировании на основе опыта, т.е. механизм демонстрации факторов, на основании которых приняты те или иные значения параметров ТП.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант №11-08-12083-офи-м-2011) в части определения оптимального деформационного и термического воздействия на поковки и программы Президиума РАН №15, проект 12-П-1-1024 в части реализация гибридного подхода в САПР.

Литература

1. А.В. Коновалов, С.В. Арзамасцев, О.Ю. Муйземнек, Д.С. Казанский, С.Д. Шалягин, П.Ю. Гагарин. Новый принцип разработки САПР ТП ковки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. - 2007. № 1. - С. 42-47.

2. А.В. Коновалов, С.В. Арзамасцев, С.Д. Шалягин, О.Ю. Муйземнек, П.Ю. Гагарин. Интеллектуальная САПР технологических процессов ковки валов на молотах // Заготовительные производства в машиностроении. - 2010. № 1. - С. 20-23.