Развитие, современное состояние и перспективы работ по автоматизации технологической подготовки производства

Родоначальником автоматизации технологического проектирования является Аркадий Моисеевич Гильман, который с коллективом единомышленников в пятидесятые годы в г. Горьком создал первую автоматизированную систему проектирования технологии изготовления деталей типа “валы”. Публикация о системе вышла в 1957 году. Работы по автоматизации подхватили две школы. Первая - под руководством С.П. Митрофанова в Ленинградском институте точной механики и оптики, вторая – под руководством Г.К. Горанского в Институте кибернетики БАН (г. Минск). В 1967 году число организаций, занимающихся автоматизацией технологического проектирования, достигло 50, а в восьмидесятые годы не было отрасли, в которой ее НИИ, КБ и предприятия не занимались бы АСТПП.

Система автоматизированного проектирования (САПР) ТПП относится к техническим системам, развитие которых подчиняется общим законам диалектики, т.е. переход технической системы из одного состояния в другое осуществляется по определенным законам. В развитии технических систем выделяют четыре этапа.

Начальный этап развития проблемы автоматизации технологического проектирования (середина пятидесятых - конец шестидесятых годов) – это доказательство возможности и необходимости применения ЭВМ для решения инженерных задач. Этот этап состоит из двух периодов.

Первый период характеризуется выполнением экспериментальных работ, которые показали принципиальную возможность решения технологических задач с помощью ЭВМ. В первую очередь к ним относятся работы, проводимые под руководством А.М. Гильмана, давшие толчок к развитию нового направления. Их научную значимость и своевременность трудно переоценить. К началу работ по автоматизации решения задач технологии существовало мнение, что современные ЭВМ нельзя применять для решения информационно-логических (творческих) задач. И поэтому положительный пример применения ЭВМ в технологии в какой-то мере рассеял существовавшие сомнения по этому вопросу, и была открыта возможность для проведения эксперимента в более широком масштабе. В конце пятидесятых годов была спроектирована и изготовлена в Таллинском политехническом институте специализированная вычислительная машина для расчетов режимов резания, которая с успехом применялась на Кировском заводе. Разработчики в дальнейшем провели модернизацию проекта этой машины и выпустили 16 таких ЭВМ. Но в силу кустарности этих работ были внедрены в производство только 8 таких машин, остальные либо вообще не были запущены из-за неполадок, либо не были освоены работниками предприятия. Успехи в области микроэлектронной техники показали неперспективность этого направления работ, и они не имели промышленного развития.

Положительный результат способствовал развитию практики применения ЭВМ для решения отдельных задач технологического проектирования, поэтому для второго периода (шестидесятые годы) характерно увеличение числа работ по проектированию локальных систем АСТПП на базе универсальных ЭВМ (в основном на моделях "Минск-2", "Минск-22"). Каждая система решала конкретную задачу без их взаимосвязи. Например, были разработаны системы проектирования ТП обработки деталей на станках токарной группы, холодной штамповкой, на сверлильных и фрезерных станках и т.п. Ставились на ЭВМ задачи проектирования многорезцовых наладок, расчета и раскроя заготовок, расчета скоростей и сил резания, нормирования операций, проектирования станочного оборудования, приспособлений и инструмента, группирования деталей. Были разработаны оригинальные методы оптимизации раскроя материала.

На этом этапе были сформулированы отдельные положения теории АСТПП. А именно, построена математическая модель и методы представления и хранения в памяти ЭВМ данных о детали, формализованы схемы проектирования технологии обработки заготовок на отдельных видах оборудования, определены основные составляющие автоматизированных систем технологического проектирования, оценена сложность процесса проектирования и внедрения автоматизированных систем, сформированы требования к автоматизированным системам решения технологических задач.

Для этого периода характерен один общий недостаток. Разработчики систем стремились создать универсальные алгоритмы технологического проектирования. При этом они пренебрегали производственными традициями, которые существовали при решении задач на конкретных предприятиях, не учитывали зависимость решений от свойств окружающей среды, была слаба формализация решения поставленных задач. Такой подход привел к созданию во многих случаях громоздких алгоритмов, к необоснованному увеличению программ, недостоверности принимаемых системой решений и другими многочисленными трудностями в проектировании и эксплуатации систем. Недостаточная формализация решения задач технологии требовала от разработчиков систем составления моделей технологического проектирования, основанных на чистом копировании действий технолога. Отсутствие инвариантных процедур обработки информации и алгоритмических систем программирования усугубило такие недостатки, как плохая читаемость и громоздкость алгоритмов и программ. По этим причинам многие поставленные задачи не были доведены до конца, либо внедрены на предприятиях. Некоторые разработчики усомнились в реальности решения технологических задач с помощью ЭВМ и прекратили свои работы в этой области. Некоторые разработчики предлагали изменить систему команд существующих машин с целью упрощения программ, реализующих технологические алгоритмы.

Первый этап завершился осознанием того, что автоматизация технологического проектирования это не только возможности вычислительной техники, но и развитие научных основ технологии, автоматизации программирования, теории принятия решений, теории автоматизации проектирования, математических методов, организации вычислительных комплексов. На первом этапе был дан ответ на вопрос "что это такое?".

Второй этап (конец шестидесятых годов - настоящее время) характеризуется дальнейшим расширением фронта работ по автоматизации решения технологических задач. В начале этому способствовали массовые работы по проектированию и внедрению АСУП на предприятиях страны с различными характерами производств, что требовало автоматизации решения отдельных задач технологического проектирования, а также распространение алгоритмических систем программирования Автокод-инженер, Фортран, модификация Алгола и т.п., позволяющие уменьшить трудоемкость процесса программирования. В дальнейшем - повышение требований к качеству и срокам ТеПП, успехи в области теории автоматизации технологического проектирования и в развитии средств вычислительной техники. На этом этапе можно выделить три периода.

Первый период (конец шестидесятых – первая половина семидесятых годов) – это формирование теоретических положений по проектированию обеспечивающих составляющих АСТПП. Во-первых, особое внимание уделялось вопросам проектирования единой системы кодирования с развитым языком общения человека с ВС. На основе сформулированных теоретических положений были разработаны системы кодирования объектов, способные, в случае необходимости, развиваться, либо использовать только некоторую ее часть при описании несложных объектов. Использование таких систем кодирования позволяют задавать данные об объектах один раз независимо от того, какой перечень задач технологического проектирования решается. Для автоматизации кодирования были спроектированы специальные технические средства.

Во-вторых, проводились работы по формализации процедур принятия решений и разработке инвариантных программ обработки информации. К таким процедурам относятся процедуры обработки нормативной информации, поиска информации и формальных правил принятия решений в технологических задачах. На базе поисковых процедур было разработано единое математическое и инвариантное программное обеспечение обработки и формирования данных, а на базе процедур выбора решений и обработки нормативной информации - проблемно-ориентированные системы программирования логических задач.

В-третьих, по мере разработки конкретных подсистем АСТПП на первый план все больше стали выходить вопросы создания единой информационной базы данных и централизации программных средств манипулирования ими, организации поиска и размножения документов с графической информацией (эти средства вошли, в так называемый, второй контур информационно-поисковой системы).

В-четвертых, получили развитие работы по методике проектирования АСТПП. При автоматизации технологического проектирования стали учитываться производственные условия предприятия, где они разрабатывались и внедрялись. В основу проектирования систем стал закладываться принцип непрерывного развития, что позволяло избежать фиксации достижений технологии на предприятии, имеющиеся к моменту проектирования системы. Были разработаны положения и методы объединения систем в комплексную систему.

В-пятых, в фундаментальных работах по автоматизации ТПП было рассмотрено организационное обеспечение систем. Проектирование, внедрение и эксплуатация систем АСТПП со всей убедительностью показали важность решения вопросов организации работ. Во многих случаях плохая организация работ по проектированию приводила к затягиванию сроков и к плохому качеству их выполнения. Плохая организация внедрения и эксплуатации систем приводила либо к отрицанию, либо к неэффективному их использованию на предприятии.

В-шестых, практика широкого внедрения средств вычислительной техники в ТПП потребовала унификации, а иногда и изменения состава и форм документации, изменения организации технических подразделений предприятия. В АСТПП были разработаны специальные стандарты и методики описания и исследования документов и документооборота на предприятии. Для эффективной организации ввода и вывода документов, их размножения и фиксации были разработаны специальные средства, входящие в состав ЕС ЭВМ. К ним относятся устройства ввода данных с бланка, устройства вывода данных на микрофильмы и на экран дисплея с последующим микрофильмированием.

Второй период (вторая половина семидесятых - восьмидесятые годы): проектирование и внедрение комплексных систем АСТПП. Создание комплексных систем с единым лингвистическим, информационным, методическим и техническим обеспечением стало возможным благодаря достижениям теории проектирования автоматизированных систем. Автоматизация ТПП строилась на основе создания двухуровневых человеко-машинных вычислительных систем.

Практика эксплуатации подсистем АСТПП показала, что недостаточная формализация задач технологии не позволяет решать их в автоматическом режиме, поэтому в процессе проектирования необходимо участие человека. Кроме того, существовал большой временной разрыв между кодированием данных и получением решения с ЭВМ. Это требовало применения специальных технических средств, обеспечивающих диалог между технологом и ВС и "приближающих" технолога к средствам вычислительной техники. К таким средствам относятся алфавитно-цифровые дисплеи, графопостроители и специальные комплексы, получившие название автоматизированных рабочих мест (АРМ) и интеллектуальных терминалов. Организация диалога между технологом и ЭВМ потребовала проектирования специального языка и соответствующего программного обеспечения для формирования запросов и ответов технолога и ВС.

С развитием микроэлектроники стало целесообразно создавать персональные системы обработки данных. Для этого были использованы малогабаритные управляющие ЭВМ с небольшой оперативной памятью и памятью на магнитной ленте. На них ставились несложные задачи технологии (в основном расчетного порядка, например, расчет режимов резания, расчет размерных цепей, проектирование режущего и измерительного инструмента и т.п.). Комплексы проектировались на базе управляющих и универсальных ЭВМ, что позволяло поставить на вычислительные машины решение практически любых технологических задач с высокой степенью их интеграции.

Получила дальнейшее развитие организация информационного обеспечения. Для введения данных стали использоваться промышленные системы управления базами данных (СУБД), например, ОКА, ИНЕС-2М, СИОД, СИНБАД-2, БАНК, СЕДАН, СЕТОР, АДАБАС, некоторые из которых имели модификации для универсальных и управляющих ЭВМ. С помощью названных СУБД можно не только спроектировать и эксплуатировать банки данных (БнД) любого назначения, но и предоставить пользователю большой набор сервисных средств, облегчающих их эксплуатацию. Были разработаны информационно-поисковые системы (ИПС) технического назначения с использованием различных вычислительных средств (мини-ЭВМ, средних и больших ЭВМ) с почти полным комплектом программного обеспечения. Эти системы с успехом эксплуатировались на предприятиях, как в автономном режиме, так и в качестве составных частей комплексных АСТПП (ТИС-76, ТЕХАРХИВ, ИПС ТПП "Темп" и т.д.). С помощью названных ИПС решались задачи поиска заготовок, инструмента, приспособлений; проводился анализ деталей и ТП с целью их унификации и группирования.

Разработка комплексных систем автоматизации ТПП способствовала углублению и расширению работ в области проектирования программного обеспечения. Велись работы по проблемам организации вычислительного процесса и структур программного обеспечения, проектированию метамониторных систем для управления вычислительным процессом и организации проектирования сложных программных систем. Получили широкое развитие работы по проектированию проблемно-ориентированных систем программирования, ориентированных на разработчиков АСТПП, таким образом, был сделан шаг к автоматизации процесса проектирования АСТПП.

Развивались работы методологического характера. Можно выделить четыре группы таких работ. В первую очередь, это работы на повышение серийности проектируемых систем. Здесь можно выделить два направления. Первое - создание типовых АСТПП или ее подсистем, которые предлагалось внедрять целиком без существенных изменений на различных предприятиях, выпускающих сходную продукцию. Второе - создание типовых элементов (модулей) систем АСТПП, с целью использования их при разработке оригинальных АСТПП и ее систем.

Вторая группа работ - это повышение уровня формализации при технологическом проектировании. Они заключаются в определении базовых понятий, введения основных операций над этими понятиями и правил формирования и проверки достоверности новых понятий. Делалась попытка построить формальную систему, на основе которой можно формировать технические решения (в частности, ТП) в любых производственных условиях и на любое оборудование. В качестве математического аппарата использовались математическая логика, теория графов, исследование операций, методы ситуационного управления большими системами, теория принятия решения, дедуктивный вывод. Были разработаны схемы процесса проектирования, базовые понятия, проектные операции, правила декомпозиции объектов, на основе которых строятся проектные решения. Эти работы еще далеки от совершенства, но перспективность их несомненна.

Третья группа работ - это проведение классификации методов проектирования решений с целью упорядочения использования схем проектирования, процедур принятия решений, организации взаимодействия человека и ВС. Классификация методов проектирования позволила оценивать сложность программной системы и выбирать ту, которая эффективна в конкретных производственных условиях при решении конкретной технологической задачи.

Четвертая группа работ относится к усовершенствованию методов решения задач: декомпозиции информационных объектов, методы оптимизации решений, расчета размерных цепей и выбора баз, расчета режимов резания и нормирования операций, отработки изделий на технологичность, унификации изделий, ТП и их элементов, методы оценки решений, группирование изделий, управления ТПП. Названные работы повышают достоверность решения задачи, их формализацию, расширяют круг рассматриваемых вопросов, изучают информационные связи между задачами. Благодаря этим работам технология машино- и приборостроения все больше очерчивается как наука. К этим работам относятся работы, ориентированные на формирование новых принципов проектирования СТО вручную или автоматизировано.

На основе методических разработок создавались конкретные функциональные системы, которые можно разделить условно на три класса:

· автоматизация расчетных задач (например, определение оптимальных режимов резания, расчет размерных цепей и т.д.);

· автоматизация проектирования объектов и процессов методом адресации (на основе унифицированных решений);

· автоматизация проектирования объектов и процессов методом синтеза из элементов на основе использования общих технологических законов и эмпирических зависимостей.

Функциональные системы первого класса позволяют отработать методики расчета элементов ТП (режимов резания, заготовок и т.д.), формирования графика запуска-выпуска, а также модели описания элементов ТП, которые в дальнейшем можно использовать в интегрированных автоматизированных системах проектирования.

Системы второго класса содержат в своем составе классификаторы деталей, изделий, ТП, инструмента и т.д. и унифицированные решения на каждый класс. Процесс принятия решений в этом случае состоит в следующем. По входному информационному объекту формируется шифр по классификатору или описание по специальным правилам, по которым с помощью ЭВМ (а иногда и вручную) этот информационный объект адресуется к одному или нескольким унифицированным решениям, которые хранятся в специальной библиотеке. После этого унифицированное решение корректируется с учетом значений параметров информационного объекта и печатается по специальной форме. Корректировка осуществляется только методом вычеркивания неиспользованных элементов и подстановкой переменных значений. Такой подход предполагает предварительное проведение анализа объектов, процессов, производства и составление библиотеки унифицированных решений и правил их описания.

Системы третьего класса формируют решения на основе выявленных закономерностей в проектировании и зависимостей между элементами различных объектов и процессов и характеристиками среды. Правила проектирования либо хранятся в базе знаний системы, либо реализуются программно. По мере развития теории проектирования и технологии эти правила уточняются.

Все названные классы систем дополняют друг друга и должны стать составными частями интегрированных систем технологического проектирования.

Третий период второго этапа развития систем (конец восьмидесятых годов – настоящее время) - это период интеграции систем автоматизированного проектирования. Цель интеграции – максимальный охват автоматизацией производства и оптимальная его эксплуатация. Интеграция систем САПР ТПП и САПР ТхПП потребовала развития работ по описанию структур изделий и процессов, усовершенствования методов технологического проектирования и организации работ по проектированию алгоритмов и программ, пересмотра алгоритмов моделирования производства и изделия, организации обратных связей при решении технологических и технических задач. В настоящее время разрабатываются методы, стандарты и инструментальные средства автоматизированного сопровождения изделия на всех этапах его жизненного цикла (начиная от рождения замысла о создании изделия и заканчивая его утилизацией), которые получили название CALS-технологий (Continuous Acquisition and Life cycle Support). Увеличилось число работ по построению адекватных математических моделей физических процессов изготовления изделия, что обеспечивает возможность создания имитационных систем принятия решений. Ведутся работы по созданию экспертных систем технологии.

Второй этап можно характеризовать как этап, отвечающий на вопрос "как это устроено?", и следует констатировать, что этот этап продолжается.

Сегодня перед теорией и практикой ставится вопрос "как система меняется при взаимодействии с внешней средой?". Отвечая на этот вопрос, разработчики исследуют проблемы адаптации системы к изменениям, которые происходят в ТПП и в ТП изготовления деталей, тиражирования систем, формирования оптимальных решений. Эти исследования стоит рассматривать как зарождение нового, третьего этапа в развитии АСТПП. Логическим завершением третьего этапа будет создание самоорганизующихся систем принятия решений.

Просматривается и четвертый этап в развитии систем технологического проектирования, который должен ответить на вопрос "как система эволюционирует?". На четвертом этапе будут созданы средства, обеспечивающие исследователя-технолога инструментом для развития технологии как науки. Если для первых трех этапов характерным является рассмотрение САПР ТПП, как системы повышающей качество и оперативность ТПП и изготовления изделий, то система четвертого этапа - это система, повышающая производительность исследовательских и научных работ в технологии. Завершением четвертого этапа, очевидно, будет создание самообучающихся систем принятия решений.

В заключении можно сделать вывод, что перед автоматизацией ТПП стоят проблемы:

1. Повысить достоверность и интеграцию решения задач.

2. Создать специальные средства адаптации и повышения серийности систем и их элементов.

3. Повысить эффективность технологических решений.

4. Увеличить объем задач ТПП, решаемых с помощью вычислительных средств.

5. Обеспечить диалог между технологом и вычислительной системой на паритетных началах.

6. Исключить промежуточные звенья между технологом и вычислительными средствами при постановке технологических задач на ЭВМ.

Раздел 2. Организация проектирования технологических процессов на основе современной информационных технологий

Дата добавления: 2014-10-17