Система автоматизированного проектирования оптимальных технологий «OPAT» и её использование в процессах обучения и переподготовки специалистов

Раскрывается актуальность создания системы автоматизированного проектирования технологических процессов - САПР «OPAT» в процессе обучения и переподготовки специалистов. Представляются результаты выбора методов оптимизации при формализации задач системы. Приводится структурная схема работы САПР обучения проектировать оптимальные технологические процессы. Кратко описываются функции каждого блока -части системы и результаты работы с критериями.

Утечка «мозгов» из России печальный факт, который отрицательно влияет на развитие науки и техники. Настоящих технологов - профессионалов, проектировщиков технологических процессов с большим опытом работы сегодня называют в России «зубрами». Их осталось мало. Редко кто из подрастающего поколения молодых учёных, дипломированных технологов машиностроения, приборостроения и т.д. фанатически сегодня относится к улучшению, усовершенствованию существующих рабочих технологий, которые, как правило, покупаются у иностранных фирм.

Неоспоримо то, что российское проектирование технологических процессов подготовки нового производства или перевооружения старого сегодня, мягко говоря, на мели. Сегодня у производственников порой отсутствует желание рационализировать действующее производство, ведь переделки, перевооружение производства требует больших затрат сегодня, когда польза из этого извлекается далеко не сразу.

«Говорить о том, что мы пытаемся догнать США и передовые западные государства, мне кажется, не очень корректно. Россия шла своим путем и идет своим путем…. Догонять бессмысленно. Действительно, нужны новые технологические решения, решения на интеллектуальном уровне, которые позволили бы не догнать, а обогнать…. при ограниченных ресурсах найти те эффективные решения, которые позволяют не только догнать, но и перегнать. И по моим представлениям, нам это удается».

С унисон этому высказыванию - январь – август 2005 г. – время начала разработки САПР технологических процессов ОPAT (ОПА – греческая богиня оптимальности, Т - технолог). Новая система призвана «истинно», совместно со студентом или проектантом получать на конце оптимум решения. Одно дело задали исходные данные и технологический процесс спроектировал компьютер, другое дело его же, по тем же исходным данным спроектировал вручную проектант, не важно, студент или технолог с опытом.

Экспериментальные работы с новой системой показали, что результаты работы компьютера отличаются от результата проектирования по традициям учебников российской технологии. Возникает вопрос, кто проиграл: компьютер или человек? Ответ на этот вопрос можно получить сравнивая эти два варианта спроектированного процесса.

Исследование при сравнении процессов и позволяет найти ошибки проектанта при проектировании. А работа над доказательством своей правоты и есть метод обучения студентов и специалистов со стажем при переподготовке для повышения квалификации. В данном случае САПР «ОРАТ» выступает в роли тренажера, который не проигрывает, а обыграть его всё же хочется. Возникает своего рода азарт. Невозможность проигрывания компьютерного решения связано с тем, что в математическую модель программ системы вложены крупицы логического мышления до элементарных понятий – «что хорошо, а что плохо». И всё это благодаря оптимизационному подходу к постановке задач САПР.

Оптимальное решение задач потребовало выбора метода оптимизации. Известны методы оптимизации: аналитические; градиентные; математического программирования, и другие. Обзор методов оптимизации и их анализ с целью применения к решению поставленным задачам помог найти подходящий метод -поиск экстремума, когда находят абсолютный экстремум, используя локальные критерии как исходные данные. Хмеловский Г.Л. в своей работе подчеркнул недостатки метода векторной оптимизации Гонсалес-Сабатера А., однако тут же отметил, что "в процессе оптимизации, когда выбирают вариант проектного решения, следует отдавать предпочтение тем схемам технологических проектов, конструкциям, сложность которых минимальна, т.к. сложность является ограничивающим фактором качества решения". Напрашивался вопрос "До каких пор проектировщики ТП, будут выходить на исследование задач достижения оптимума сложных технологических процессов с "белым флагом"?

При оптимальном подходе к решению задач проектирования ТП имеют смысл добиваться четырёх направлений:

• _1.    K → max

• _2.    R → min

• _3.    T → min

• _4.    С → min

где:

• К    – качество проекта;

• R    – затраты на реализацию;

• Т    - время реализации;

• С    - сложность реализации.

Это не почва для недосягаемости оптимума и невозможности создания универсальных методов обучения оптимальному проектированию ТП любого по сложности оперируемого объекта (ОО).

Достижение оптимума и создание универсального метода обучения проектирования ТП, метода решения задачи определения оптимального расположения ОО относительно направления потока ТП потребовала не только полной формализации логического процесса мышления студента в проектной работе, но и совершенно новой теории оптимального проектирования, которая бы на 100% обеспечила оптимум решений каждой задачи. Развитие теории оптимального проектирования, основанного на максимальной формализации мышления проектанта ТП, обязано развитию в России САПР.

Качество проектирования ТП за дисплеем в интерактивном режиме резко возросло, ведь студенту или проектанту дается возможность в большей степени заниматься вопросами исследования различных вариантов решений каждой из задач САПР и варьировать конечным результатом при изменении исходных данных.

Чтобы пройти путь максимально возможной формализации задачи определения оптимального расположения ОО в пространстве относительно потока ТП необходимо было произвести обзор всех вопросов проектирования ТП.

Главное преимущество «OPAT» по сравнению с современными российскими и зарубежными САПР технолога в том, что в процессе обучения или работы с системой интеллектуальная работа студента или технолога вырастает по части принятия окончательного решения, а вся рутинная работа отдана компьютеру.

Порой результат решения задач системой проектирования оптимальных процессов «фантастичен» для опытных технологов. Это не говорит о том, что технологи слабые в своем опыте, что не могут определить сходу, сразу оптимальный, самый лучший вариант.

Система «OPAT» нацелена на то, чтобы:

• 1.    быть универсальной по отношению к любому изделию;

• 2.    учиться проектировать истинно оптимальный - самый лучший вариант технологического процесса;

• 3.    проводить последующие исследования вариантов проектирования, что очень важно при переподготовке опытных специалистов;

• 4.    в результате решения каждого уровня задач в последовательности проектирования обучиться создать полный комплект предложений для отработки изделия на технологичность (эта задача всегда актуальна).

Для формализации задач проектирования за опытный процесс был взят самый сложный процесс производства – сборка.

При логическом переносе (проецировании) логики формализации процесса сборки на какой-либо другой процесс, к примеру – клепка, сварка, склейка, механообработка и так далее, оказалось, что разница в составе математической модели лишь в оригинальных критериях каждого процесса и в их количестве. В остальном, математическая модель теории проектирования сборки ничем, по существу, не отличается от математических моделей иных процессов производства какого-либо изделия.

Система «OPAT» проектирования, обучения и переподготовки технологов машиностроения, приборостроения и т.д. состоит из трёх последовательно решаемых блоков задач, которые представлены рисунком 1, где:

• 1.    Space – блок решения задачи определения оптимального расположения оперируемого объекта в пространстве относительно направления технологического процесса (результативные данные решения этой задачи являются исходными данными для последующей задачи). Алгоритм задачи основан на методических указаниях МУ 782.056;

• 2.    Time   – блок решения задачи определения оптимальной

• 3.    Dinozaurus – блок решения задачи определения оптимальной организации процесса (результат – готовый регламент оптимального технологического процесса) Алгоритм задачи основан на методических

последовательности оперирования в процессе (результат работы этого блока – вытянутый в нить предварительный оптимальный маршрут оперирования). Алгоритм этой задачи основан на методических указаниях МУ 782.059;

указаниях МУ782.058.

SPACE

TIME

DINOZAURUS

Регламент; i техноло-гического^ .•vvvvwwvvvvvwvvv: процесса]

Рис 1. Укрупненная структурная схема «OPAT»

Задача «Space» выбирает переориентацию исследуемого изделия относительно первоначально заданного пространственного положения для того, чтобы свести к минимуму операции кантования и поворота в процессе и дать исходные данные для задач определения оптимальной последовательности и организации оперирования. Далее, при проектировании, возможно, всё же будут добавлены паразитические операции кантования и поворота (переворота) как необходимые и дающие собой экономический эффект.

Задача «Time» вытягивает всю цепочку элементов изделия в нить – в оптимальную последовательность. Оптимальность последовательности на этом этапе проектирования условная, так как положительное явление – отсутствие технологического членения на этом этапе, и присутствие последнего в последующей задаче – организации, далее играет положительную роль. Результаты решения САПР задачи последовательности дают существенную подсказку, рациональное зерно технологу-проектировщику для дальнейшей работы, а также исходные данные для задачи организации оперирования.

Задача «Dinozaurus» (организация оперирования) состоит из задач:

• -    создание всех возможных вариаций организации процесса с учётом заданного типа производства (такт выпуска), уровня механизации и автоматизации, с учётом - новое производства или перевооружение старого, уровня кинето-статической относительности объектов и операторов средств оснащения процесса (поточное или стационарное оперирование) и т.д.

• -    нормирование операций процесса;

• -    синхронизация потоков оперирования, оптимального членения;

• -    определение иерархии «родства» элементов изделия для оптимального членения изделия на подсборки;

• -    членение изделия на подсборки (это членение является не конструкторским или технологическим, а истинно оптимальным, исходящим от природы каждого элемента изделия, когда компьютер самостоятельно «вырывает» узловую и подузловую сборку из нити условной последовательности по оригинальным критериям «родственности» элементов. Отрезки нити процесса соединяется в общее, что и представляет общую сборку, соответствующую такту выпуска изделий;

• -    поиск и отбор аналогов - операторов – средств оснащения процесса с расчетом экономической эффективности.

Разброс информации по различным технологическим документам усложняет работу студента или проектировщика технологий. В САПР «OPAT» для упрощённого визуального восприятия маршрутов оперирования применен способ пространственной эпюризации технологических процессов «ЕЛЕНА».

Разработанные критерии оптимизации каждого блока САПР разделились на категории:

• 1.    Универсальные.

• 2.    Локальные для каждой задачи или для группы задач одного и того же процесса.

• 3.    Локальные для определенного процесса.

Например, критерии материала или максимального размера элементов изделия являются универсальными для решения всех трёх задач проектирования, а критерии максимального размера от центра тяжести изделия до крайне удаленной точки в шести пространственных направлениях относительно направления технологического потока и критерий пространственного относительного расположения базовой поверхности базовой детали – локальные критерии для задачи «Space».

Если рассматривать критерии в отношении разновидности процессов, то критерии процесса сварки: критерии вида сварного шва или критерий остатка концентрации напряжения в области нанесения шва - локальные критерии только для процесса сварки.

Некоторые критерии потребовали дополнительной углубленной формализации в отношении их взвешивания. Например, критерий трудоёмкости оперирования потребовал тщательной проработки на выявление приоритетного ряда, взвешенного по долям тяжести. К примеру, тяжесть оперирования в процессе сборки выразилась в поправочных коэффициентах:

• а)    установка объекта на подсобранный объект – 1;

• б)    свинчивание объектов – 2,7;

• в)    запрессовывание объекта в подсобранный объект – 3.

• г)    прочее, более сложное оперирование, в процессе сборки – 4.

Некоторые выявляемые критерии требуют более глубокого отношения при их исследовании. Количество критериев решения каждой задачи проектирования какого-либо процесса разное.

Весомость критериев применительно к определенной локальной задаче вещь не постоянная. В задачу студента или проектировщика входит также необходимость провести исследование и взвесить каждый критерий на величину его влияния на процесс какого-либо объекта.

Заключение

Таким образом, САПР «OPAT» призвана:

• -    проектировать наилучшие технологии;

• -    минимизировать затраты материальных и временных средств на технологическую подготовку производства изделий в целом;

• -    повысить качество изделий;

• -    быть беспроигрышным обучающим тренажером студентов и специалистов с опытом;

• -    быть полигоном исследования при обучении или переподготовке специалистов.

САПР «OPAT» есть ни что иное, как искусственный интеллект проектировщика и преподавателя в разработке технологических процессов производства любого изделия.