Онтология САПР технологических процессов ковки на прессах

С.И. Канюков,

с.н.с., к.т.н., доц., ksi@imach.uran.ru,
А.В. Коновалов,

зав. лаб., д.т.н., проф., e-mail: avk@imach.uran.ru,
О.Ю. Муйземнек,

с.н.с, к.т.н., olga@imach.uran.ru

ИМАШ УрО РАН, г. Екатеринбург

Разработана концепция онтологии автоматизированного проектирования технологических процессов ковки на прессах. Выделены классы и построена концептуальная схема системы. Для каждого класса выделены экземпляры класса и их атрибуты, сформулированы основные аксиомы и определены технологические ограничения, на которые эти аксиомы опираются. Сформированная онтологическая база знаний о рассматриваемой предметной области позволяет повысить интеллектуальный уровень системы, ее гибкость и существенно облегчает настройку системы на различные условия производства. Предлагаемый подход может быть использован при разработке САПР технологии ковки на прессах других видов поковок.

The ontology of a computer-aided design software system for press forging is considered. Ontology classes are defined and a conceptual scheme of the system is built. Instances and attributes are determined for each class, the basic axioms are formulated and technological limitations, to which these axioms are based, are defined. Created ontological knowledge base of the subject area allows us to increase the intellectual level of the system, its flexibility and essentially facilitate the adjustment of the system to specific production environment. The proposed approach can be used to develop press-forging computer-aided system for various forged pieces.

Введение

Разработка САПР в разных предметных областях тесно связана с повышением их интеллектуального уровня, что достигается за счет применения при их разработке таких методов искусственного интеллекта [1], как объектно-ориентированный, мультиагентный, гибридный подходы, генетическое программирование и др. В настоящее время широкое развитие получило направление, связанное с онтологией проектирования.

Термин “онтология” был введен Томасом Грубером [2], который определил ее как “спецификацию концептуализации”. В дальнейшем терминология и научные основы онтологии проектирования получили развитие как в теоритической части, так и в части их практического применения [3 – 5]. По определению [3] онтология в информатике – это попытка всеобъемлющей и детальной формализации некоторой области знаний с помощью концептуальной схемы.

Основная цель применения онтологии в САПР технологических процессов (ТП) ковки состоит в том, чтобы вынести знания о предметной области из алгоритмов и программ в онтологическую базу знаний и в дальнейшем передавать их системе как данные, которые в этом случае можно оперативно изменять.

1. Описание предметной области

На рис .1 в качестве примера представлен фрагмент технологической карты ковки поковки «Вал промежуточный» из стали 38ХМ, спроектированной САПР ТП ковки.

Входной информацией для САПР ТП ковки является чертеж поковки, которую необходимо изготовить, нормативно-справочная информация о ресурсах предприятия и технологические инструкции, регламентирующие правила проектирования технологии ковки. Выходной документ – технологическая карта ковки, которая в общем случае включает в себя следующие зоны (рис. 1):

1. Поковка (эскиз поковки).

2. Слиток (эскиз выбранного слитка и его масса).

3. Переходы (эскизы заготовок, которые изготавливаются из этого слитка вплоть до конечной поковки).

4. Операции (перечень и описание операций ковки, которые должна выполнить кузнечная бригада).

5. Оборудование (используемые в этих операциях пресс, бойки, основной и вспомогательный инструмент).

6. Режимы нагрева печи и инструментов (температуры и время нагрева и выдержки).

7. Завершение процесса проектирования (краткая информация о клеймении, термообработке, правке, приёмке ОТК, мерах безопасности).

2. Концептуализация предметной области

Концептуализацию предметной области обычно начинают с выделения основных понятий – классов и построения концептуальной схемы. В рассматриваемой предметной области верхний уровень концептуальной схемы САПР ТП ковки показан на рис. 2.

Концептуальная схема САПР ТП ковки включает в себя семь классов: Поковка, Слиток, Переходы, Операции, Оборудование, Режимы, Завершение. Односторонние и двухсторонние стрелки на рис. 2 отражают взаимные отношения классов при проектировании как в автоматическом режиме, так и в режиме корректировки пользователем полученных результатов.

Так, например, первоначально слиток выбирается по исходной поковке, однако на этот выбор оказывает влияние процесс дальнейшего проектирования переходов ковки, который должен удовлетворять определенным технологическим ограничениям, и это может потребовать замены уже выбранного слитка.

Рис. 1 Фрагмент технологической карты ковки

Рис. 2 Концептуальная схема САПР ТП ковки

Таблица 1

Состав экземпляров и атрибутов классов САПР ТП ковки

Классы	Экземпляры	Атрибуты
Поковка	Эскиз поковки с пробами	Размеры поковки с допусками и пробами, уков поковки
Слиток	Эскиз слитка	Масса и размеры слитка, массы отходов от донной и прибыльной частей тела слитка
Оборудование	Обозначение пресса	Усилие пресса
	Обозначения инструментов	Отсутствуют
Переходы	Эскиз биллета	Размеры, уков и соотношение размеров биллета
	Эскиз осаженного биллета	Размеры, уков и соотношение размеров осаженного биллета
	Эскиз протянутого круга	Размеры и уков протянутого круга
	Эскизы заготовок	Размеры и уковы ступеней заготовок
Операции	Наименования операций	Отсутствуют
Режимы	Температура нагрева печи	Числовые значения
	Продолжительность нагрева	Числовые значения
	Продолжительность выдержки	Числовые значения
	Температура конца ковки	Числовое значение
Завершение	Информация о клеймении	Отсутствует
	Информация о термообработке	Отсутствует
	Информация о правке	Отсутствует
	Информация о приемке	Отсутствует
	Информация о мерах безопасности	Отсутствует

Каждый класс включает в себя конечное множество экземпляров – объектов проектирования, за которые этот класс отвечает, а каждый экземпляр может иметь свой набор атрибутов (характеристик, свойств этих объектов). Состав экземпляров и атрибутов классов САПР ТП ковки приведён в таблице 1.

Биллетом (второй эскиз сверху на рис. 1) принято называть слиток, у которого сбиты грани, осаженным биллетом – заготовку, получаемую после осадки биллета, протянутым кругом – цилиндрическую заготовку, в которую протягивается осаженный биллет. Над эскизами в технологической карте ковки обычно указывают числа, характеризующие степени деформаций соответствующих заготовок, которые называют уковами [6, 7]. Например, уков биллета на рис. 1 равен 1,15.

Помимо терминов “классы”, “экземпляры”, “атрибуты”, в онтологии проектирования широко используется термин “аксиомы”, которые представляют собой утверждения, принятые большинством специалистов в рассматриваемой предметной области и по существу представляют собой технологические ограничения, накладываемые на процесс проектирования технологии ковки.

Объем статьи не позволяет привести подробное формализованное описание всех аксиом для всех классов технологической карты ковки, поэтому ограничимся пятью наиболее существенными на примере рис. 1.

Аксиома 1. Уков конечной поковки должен быть не меньше 3.

,

где диаметр осаженного биллета (970 мм), габаритный диаметр поковки (560 мм).

Аксиома 2. Для ответственных поковок массы отходов от донной и прибыльной частей тела слитка должны быть не меньше 2% и 3% от массы слитка = 5,55 т соответственно.

0,11 т, 0,17 т.

Аксиома 3. Отношение длины биллета (1650 мм) к диаметру его основания (700 мм) должно быть не больше 2,5.

.

Аксиома 4. Уков осаженного биллета должен быть не меньше 2.

,

где = 700 мм – высота осаженного биллета.

Аксиома 5. Отношение высоты осаженного биллета к его диаметру (970 мм) должно быть не меньше 0,6.

.

Числовые величины границ значений атрибутов в аксиомах 1 – 5 взяты из технологических инструкций предприятий и соответствующих литературных источников [6, 7], включены в онтологическую базу знаний САПР ТП ковки и могут корректироваться пользователями в процессе эксплуатации системы. Возможность такой корректировки предусмотрена в связи со слабой формализацией рассматриваемой предметной области, когда технологи, проектируя технологический процесс ковки, нередко отступают от технологических инструкций и все равно получают годные поковки. Более подробно этот вопрос рассмотрен в работе [8].

Заключение

Разработана концепция построения онтологии САПР ТП ковки на прессах. Выделены классы объектов проектирования САПР ТП ковки и построена концептуальная схема системы. Для каждого класса определены экземпляры и их атрибуты. Сформулированы основные аксиомы, связанные с проектированием технологического процесса ковки, и формализованы технологические ограничения, на которые эти аксиомы опираются. Сформированная таким образом онтологическая база знаний о рассматриваемой предметной области позволяет повысить интеллектуальный уровень системы, ее гибкость и существенно облегчает настройку системы на различные условия производства.

Предлагаемый подход может быть использован при разработке САПР технологии ковки на прессах других видов поковок.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-07-00597_а.

Литература

1. Люгер Д. Ф. Искусственный интеллект: стратегии и методы решения сложных проблем, 4-е издание: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 864 с.

2. Gruber T.R. The role of common ontology in achieving sharable, reusable knowledge bases // Principles of Knowledge Representation and Reasoning. Proceedings of the Second International Conference. J.A. Allen, R. Fikes, E. Sandewell - eds. Morgan Kaufmann, 1991, 601-602.

3. Боргест Н.М. Ключевые термины онтологии проектирования / Н.М. Боргест // Онтология проектирования. – 2013. – № 3(9). – С. 9-31.

4. Смирнов С.В. Онтологии как смысловые модели / С.В. Смирнов // Онтология проектирования. – 2012. – № 2(8). – С. 16-24.

5. Лапшин В.А. Онтологии в компьютерных системах. / В.А. Лапшин. – М.: Научный мир, 2010.

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

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

8. Канюков С.И., Коновалов А.В. Корректировка решений САПР технологических процессов ковки с использованием аппарата теории нечетких множеств // Программные продукты и системы. - 2014. - № 2. – С. 176 – 181.