Управление процессом автоматизированного проектирования технологии ковки

С.И. Канюков,

вед. инж., к.т.н., доц.,
А.В. Коновалов,

зав. лаб., д.т.н., проф., avk@imach.uran.ru,
ИМАШ УрО РАН, г. Екатеринбург

Рассматриваются вопросы управления процессом автоматизированного проектирования технологии ковки валов на прессах в режиме активного графического диалога пользователя с ЭВМ. Выделены и классифицированы по уровням значимости узлы возможных воздействий пользователя на модель объекта управления – карту технологического процесса ковки и разработана логическая схема управления САПР ТП ковки валов на прессах, связанная с этими воздействиями.

This paper deals with control problems of computer-aided design of press-forging of shafts under conditions of an active graphical user dialog with a computer. Nodes of possible user’s actions on the control object model named as the forging process card are identified and classified by levels of importance. A logic layout of the control of CAPD for press-forging of shafts connected with these actions is developed.

В современных условиях значительная часть изделий в заготовительном производстве машиностроения изготавливается методами свободной ковки на молотах и прессах. Технологическая подготовка такого производства достаточно сложная инженерная задача, прежде всего, из-за слабой формализации предметной области. Технологические инструкции, касающиеся процесса проектирования, не только различны на разных предприятиях, но и в рамках одного предприятия зачастую приближенны и противоречивы.

При этом проектирование технологического процесса ковки на прессах является более сложной задачей по сравнению с проектированием технологии ковки поковок на молотах. При ковке на прессах круг решаемых задач гораздо шире из-за того, что в процессе ковки применяются, как правило, промежуточные подогревы металла в печи. Для каждого этапа подогрева в печи (называемого выносом) необходимо проектировать промежуточную конфигурацию поковки и технологию ее ковки, по возможности не нарушая технологические ограничения, накладываемые на процесс ковки. Поскольку границы технологических ограничений всегда находятся в некотором диапазоне своих значений, то на практике разработчики систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) вынуждены принимать решения в условиях неопределённости, закладывая в систему приближенные алгоритмы и программы, что, в свою очередь, требует предоставления пользователям системы возможности внесения исправлений в результаты проектирования, полученные в автоматическом режиме.

Основная идея заключается в подмене сложной математической модели реального процесса на логико-лингвистическую модель управления этим процессом. В рамках этого подхода предполагается использовать опыт пользователя, управляющего этим процессом на основе правил, которые можно выполнить человеку, но трудно формализовать, используя обычные алгоритмы.

Известные САПР ТП ковки поковок на молотах и прессах [1–3], предоставляют пользователю некоторые возможности внесения корректировок в результаты проектирования, полученные в автоматическом режиме. Оригинальный подход к решению задачи внесения корректировок применен в САПР кованных поковок и технологий "МАЛАХИТ" [2], в которой пользователь может вносить изменения в базу знаний алгоритмов решения ряда задач проектирования на основе инструментальной системы "СТЕП-Ш". Однако, такой подход требует от пользователей специальной подготовки. Кроме того в случаях, когда требуется изменить значение какого-либо параметра проектирования техпроцесса для конкретной поковки, не всегда логично изменять алгоритм его расчета, который на других поковках успешно срабатывает. Достаточно широкие возможности для воздействий на результаты проектирования как поковки, так и технологического процесса реализованы в САПР ТП ковки ступенчатых валов [1], ориентированной на молота. В САПР технологии ковки ступенчатых валов на прессах [3] также предусмотрена возможность корректировки результатов проектирования, но эта возможность касается только назначения припусков, напусков и допусков на поковки и не касается параметров карты технологического процесса.

Опыт разработки и внедрения САПР ТП ковки на различных предприятиях показывает, что для успешной реализации возможности внесения корректировок в результаты проектирования необходимо не только выделить узлы возможных воздействий пользователя на модель объекта управления, но и классифицировать их по степени значимости для технологического процесса, а концепцию управления процессом проектирования строить на базе этой классификации.

Поскольку практически все решения, отражённые в карте технологического процесса ковки, взаимосвязаны, то их корректировка требует повторного перепроектирования всего техпроцесса с учетом внесенных изменений. В этом смысле речь идет об управлении пользователем процессом проектирования.

Концептуальная схема, в рамках которой формулируется любая задача управления, представлена в работе [4]. В поставленной задаче эта схема может быть интерпретирована следующим образом.

Объектом управления является процесс проектирования технологии ковки, который всегда происходит в определенных производственных условиях, т.е. в конкретной среде проектирования. В качестве модели объекта управления выступает карта технологического процесса ковки, которая отражает все особенности спроектированного техпроцесса и является одним из возможных решений поставленной задачи. Цель управления объектом состоит в получении технологии изготовления годной поковки с минимальными материальными и энергетическими затратами.

Если полученное решение (модель объекта управления) удовлетворяет требованиям, предъявляемым пользователем, то поставленная цель достигнута. Если цель не достигается, то необходимо произвести корректировку решения, реализуя некоторое управляющее воздействие (в дальнейшем воздействие) на модель объекта управления. Это воздействие выбирается пользователем на основе среды проектирования и модели объекта управления и передается в блок принятия решений.

Задача блока принятия решений состоит в проверке оказанного воздействия на корректность в двух аспектах. Во-первых, необходимо выполнить проверку на синтаксис, когда воздействие представляет собой значение, набранное пользователем, а не выбранное из предложенного системой списка. Во–вторых, требуется проверить воздействие на попадание в соответствующий ему доверительный интервал. Под доверительным интервалом здесь понимаются границы, в которых должно находиться каждое воздействие в соответствии с технологическими инструкциями на проектирование. Если оказанное воздействие является не корректным и проверку не проходит, то оно отвергается. В противном случае информация о воздействии передается в блок реализации решений, который осуществляет перепроектирование техпроцесса с учетом всех оказанных на данный момент воздействий. При этом, если последнее воздействие не вступает в противоречие в процессе перепроектирования с воздействиями, оказанными ранее, то оно признается технологичным и модель объекта управления переводится в новое состояние. Пользователь может оценить это, наблюдая модель объекта управления и сравнивая его с целью проектирования. Результат такого наблюдения и сравнения инициирует либо новые воздействия на модель объекта управления в случае, когда цель не достигается, либо завершение работы в случае, когда цель достигнута.

Если же последнее воздействие при всей совокупности предыдущих воздействий не позволяет спроектировать модель объекта управления, то в данный момент оно признается не технологичным и здесь возможны варианты для принятия дальнейших решений.

В первом варианте, опираясь на правило: система "не имеет права" самостоятельно исключать уже принятые технологичные воздействия пользователя, последнее воздействие следует отвергнуть. Однако, у этого варианта имеется существенный недостаток, поскольку, если последнее отвергнутое воздействие с точки зрения пользователя является более важным по сравнению с предыдущими, то чтобы его реализовать, самому пользователю придется последовательно исключать все предыдущие воздействия и каждый раз пытаться перепроектировать техпроцесс с этим новым воздействием, что не вполне логично. Правильнее будет при возникновении противоречий автоматически исключать менее значимые воздействия, но для этого требуется разработка системы классификации множества возможных воздействий и определение статуса (значимости) каждого воздействия.

Пусть множество технологических параметров, которые характеризуют модель объекта управления, полученную после реализации множества воздействий . На каждый параметр может быть оказано несколько последовательных воздействий, но, поскольку каждое следующее воздействие на заменяет предыдущее, то индекс при соответствует индексу при .

Допустим, параметр технологического процесса, на который оказывается новое воздействие (или просто ), более значимое по сравнению с воздействиями множества .

Отметим, что каждое воздействие пользователя может представлять собой только одно из трех событий:

А: изменить параметр ; (1)

В: зафиксировать параметр ;

С: отменить ранее оказанное воздействие на параметр .

При описании логики управления САПР ТП ковки удобно использовать аппарат математической логики. Введем следующие высказывания:

1. высказывание "воздействие корректно"; (2)

2. высказывание "решение при воздействии получено"

(модель объекта управления успешно построена).

3. высказывание "воздействие принимается".

В соответствии с логикой управления САПР ТП ковки, когда истинность высказывания проверяет блок принятия решений, а истинность высказывания блок реализации решений, связь между высказываниями (2) можно описать выражениями:

(3)

(4)

. (5)

Выражения (3–5) интерпретируются соответственно следующим образом:

– не корректно отвергается,

– корректно и решение получено принимается,

– корректно и решение не получено исключаются менее значимые воздействия и принимается.

В последнем случае информация об оставшихся воздействиях передается в блок реализации решений, и проектирование выполняется заново.

Очевидно, что при наступлении событий В или С (1) всегда справедливо соотношение (4).

Относительная значимость каждого воздействия на соответствующий ему корректируемый параметр устанавливается на основе физических представлений о предметной области.

В общем случае все корректируемые параметры проектирования в САПР ТП ковки валов на прессах и предусмотренные воздействия на них разбиты на четыре группы по уровням значимости, как показано на рисунке.

Режимы нагрева заготовок, нормы времени на

К овку, наименования ковочных операций и т.д.

Исходный слиток

Генеральный параметр

Количество

переходов

Минимальный

общий уков

Осадка

биллета

Форма

биллета

Глобальные параметры

Индивидуальные параметры параметры

Размеры биллета

Размеры осаженного слитка

Размеры протянутой заготовки

Размеры протянутой заготовки

Размеры заготовок в основных операциях

Локальные параметры

рис. Классификация корректируемых параметров и управляющих воздействий

Рядом с названием корректируемых параметров на рисунке в скобках указано обозначение соответствующих воздействий на эти параметры. Верхний индекс при обозначает групповой уровень значимости воздействия. Стрелки отражают взаимовлияние корректируемых параметров.

Генеральное воздействие предусматривает замену выбранного слитка и обладает наибольшей относительной значимостью. По аналогии, пользуясь системой обозначений (2), можно записать:

где соответственно количество воздействий на глобальные, локальные и индивидуальные корректируемые параметры.

В состав глобальных параметров входят (см. рисунок) минимальный общий уков, количество переходов, форма биллета и осадка биллета.

Минимальный общий уков это минимально – допустимая степень деформации поковки за весь процесс ковки. Рекомендации по расчету общего укова и определению его минимального значения приведены в работах [5, 6]. Отметим только, что увеличение минимального значения общего укова может потребовать увеличения размеров исходной заготовки, что, в свою очередь, может привести к замене исходного слитка.

Переходом при ковке на прессах называют группу кузнечных операций, выполняемых за один нагрев (вынос). К каждому переходу предъявляются определенные технологические требования, связанные в основном с минимальными уковами за переход. Естественно, чем больше количество переходов, тем больших размеров требуется исходная заготовка.

Возможны следующие значения параметра "форма биллета" в САПР ТП ковки валов на прессах: "усеченный конус", "цилиндр", "вогнутая бочка", "выпуклая бочка" и "слиток" (когда операция биллетировки исключена и в качестве "биллета" используется исходный слиток).

Параметр "осадка биллета" принимает только два значения: "да" – когда осадка предусмотрена и "нет" – когда операция осадки исключена из технологического процесса ковки.

Глобальные воздействия обладают одинаковой относительной значимостью в том смысле, что ни одно глобальное воздействие не может отменить другое, при этом любое глобальное воздействие может привести к замене не зафиксированного слитка.

Влияние глобального воздействия на менее значимые воздействия (локальные и индивидуальные) описывается выражением:

.

В отличие от глобальных локальные параметры взаимосвязаны, поэтому относительная значимость соответствующих воздействий характеризуется двумя показателями: групповой уровень значимости (верхний индекс при ) и уровень значимости внутри группы (нижний индекс при ), который соответствует порядку определения этих параметров в процессе проектирования. Влияние любого локального воздействия на другие описывается выражением:

.

Локальное воздействие всегда находится в рамках, которые определяются значениями более значимых параметров. Например, если оказывается локальное воздействие на размеры осаженного слитка ( на рисунке), то, чтобы это воздействие было признано корректным, необходимо чтобы оно находилось в технологических границах, соответствующих уже определенным к этому моменту генеральному и глобальным параметрам, а также размерам биллета .

Индивидуальные параметры представляют собой данные, воздействия на которые не требуют перепроектирования технологического процесса. Такие воздействия аналогичны действиям пользователя посредством ластика и ручки, когда в отдельные фрагменты уже готовой карты ТП (модели объекта проектирования) вносятся некоторые несущественные исправления.

Таким образом, САПР ТП ковки валов на прессах строится в древовидной форме с выделением точек (узлов) возможных воздействий пользователя. После реализации автоматического режима проектирования пользователь анализирует полученную модель объекта управления и при необходимости последовательно вносит управляющие корректировки в результаты проектирования, которые обрабатываются системой в соответствии с изложенными принципами.

Рассмотренная схема управления САПР технологии ковки валов на прессах позволяет получать приемлемые решения даже при существенном изменении условий производства, что значительно упрощает ее внедрение на различных предприятиях.

Работа выполнена в рамках программы фундаментальных исследований Президиума РАН №15, проект 12-П-1-1024, и при финансовой поддержке гранта РФФИ № 13-07-96005 р_урал_а и Правительства Свердловской области.

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 материалов давлением. 1995. № 9. С. 13-14.

4. Рыжов А.П. Элементы теории нечетких множеств и измерения нечеткости. М.: Диалог – МГУ, 1998. 75 с.

5. Антрошенко А.П., Федоров В.И. Металло–сберегающие технологии кузнечно– штамповочного производства. Л.: Машиностроение, 1990. 279 с.

6. Трубин В.Н., Макаров В.И., Орлов С.Н., Шипицин А.А., Трубин Ю.В., Лебедев В. А.. Система управления качеством проектирования технологических процессов ковки. М.: Машиностроение, 1984. 184 с.