- •Математическое моделирование в машиностроении
- •Предисловие
- •Конспект лекции
- •Раздел 1. Задачи и объекты математического моделирования в машиностроительном производстве
- •1.1 Задачи моделирования. Виды моделей
- •1.2 Классификация математических моделей
- •1.3 Требования к математическим моделям
- •4. Наглядность, т.Е. Удобное визуальное восприятие модели.
- •Раздел 2. Моделирование дискретных объектов и процессов
- •2.1. Использование множеств для моделирования технических систем
- •2.2 Операции над множествами.
- •Пример. Сборочная единица представляет собой объединение некоторого множества т-систем « деталь»
- •Раздел 3. Графы. Использование графов для моделирования технических систем
- •3.1. Элементы теории графов.
- •Раздел 4. Моделирование с использованием элементов теории вероятностей
- •4.1 Статистические исследования в задачах оценки точности
- •4.2 Теория вероятности при оценке надежности технических систем
- •4.3. Планирование эксперимента
- •Раздел 5. Моделирования процесса принятия решений
- •5.1.Логические модели представления знаний
- •Основные свойства логических операций
- •1 Ассоциативность:
- •5.2. Исчисление предикатов
- •5.3 Элементы теории принятия решений. Таблицы соответствий. Алгоритмы поиска решений
- •Раздел 6. Моделирование экономических процессов
- •6.1 Линейная и нелинейная регрессия
- •Множественная линейная корреляционная зависимость
- •Нелинейная регрессия
- •6.2 Прогнозирование экономических процессов
- •Временные ряды
- •Применение моделей кривых роста в экономическом прогнозировании
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Раздел 2. Моделирование дискретных объектов и процессов 21
- •2.1. Использование множеств для моделирования технических систем 21
- •191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5
5.2. Исчисление предикатов
Для примера
рассмотрим логические модели процессов
проектирования технологии механической
обработки деталей резанием. Для построения
логической модели процесса проектирования
технологии механической обработке
рассмотрим два основных множества этого
процесса: множество С средств обработки
и множество А поверхностей детали.
Параметрическое описание объектов ai
A,
ci
C
выразим через свойства этих объектов.
Для этого описания воспользуемся
понятием «предикат - свойство» (одноместный
предикат), представляющим собой логическую
функцию, которая определяет принадлежность
свойств предмету m
(х). В этой функции переменная величина
х является предметной переменной (т.е.
местом, на которое подставляются элементы
из множеств А и С или из их подмножеств),
является предикатной переменной (т.е.
местом, на которое подставляется элемент
из множества свойств М или из его
подмножества). Для задания областей,
определяющих значение «истинно»,
используется операция навешивания
ограниченных кванторов: общности –
знак
(обобщение операций конъюнкции) и
существования – знак
(обобщение операции дизъюнкции).
Для любых элементов
множеств рассмотренные отношения будем
описывать с помощью предикатов (логических
функций), которые при подстановке на
место предметных переменных x1,
x2,
1,
2,
x, u, y превращаются в истинные или ложные
высказывания об отношении предметов.
Далее будут использованы предикаты
«совместности»
- двуместные (x1
↔ x2,
x ↔ u, x ↔ y ), одноместные (x ↔ a, x ↔ b);
«предопределения»
- двуместные (x1
↔ x2),
которые определены из классов
взаимодействий технологических объектов.
Будут использованы двуместные предикаты
«следования»,
а также предикаты «равенства», «меньше»
и «меньше - равно» на числовых множествах:
1
=
2,
1
<
2,
x
≤ N,
где N
- заданное число или числовое выражение.
Например, рассматривается подмножество групп поверхностей детали An. Необходимо выделить из него множество тех n-к (a1,…,an), у которых между элементами установлен порядок следования, истинный с точки зрения технологической сущности задачи.
Из закономерностей
технологии машиностроения принимаем,
что если качество поверхности aj
выше качество поверхности ai,
то обработка поверхности ai
предшествует
обработки поверхности аj,
т.е. из
I
<
j
следует, что аi
─< aj,
где
I
<
j
– значения качества аi
и aj.;
знак
– операция конъюнкции, знак
– операция импликации,
– операция дизъюнкции.
X1 X2 m1 m2 1 2 {[ m1 (X1 ) m2 (X2 ) ( 1 < 2 )] (X1 ─< X2 )} A A MA MA MA MA |
1 |
Операция навешивания ограниченных кванторов общности и существования позволяет задать область, определяющую значения истинности для приведенных формул.
Применив те же условия к множеству С, получим множество тех пар, которые удовлетворяют условию (1), и, дополнив его условием транзитивности получим функцию выделения подмножества Cm1 из Cm.
X1 X2 m1 m2 1 2 {[ m1 (X1 ) m2 (X2 ) ( 1 < 2 )] (X1 ─< X2 )} A C C Mc Mc Mc Mc |
2 |
Физическая интерпретация в этом случае такова: средства, дающие более качественную обработку, следуют в порядке обработки за средствами, дающими менее качественную обработку.
Рассмотрим условия, с помощью которых определяются те элементы. Которые связаны отношением совместности. Обозначим совместимость двух поверхностей аi и aj через аi ↔ aj. Это условие может быть выведено из реального условия возможности обработки нескольких поверхностей в одной операции. Например, поверхности, обладающие одними и теми же свойствами 1= 2 (вид поверхности, положение, соотношение с другими поверхностями), могут быть обработаны в одной операции. Такие поверхности будем считать совместными.
Условие совместности элементов множества А запишем функцией (3), где MA – множество значений свойств обрабатываемых поверхностей; 1, 2 – значение свойств.
X1 X2 m1 m2 1 2 {[ m1 (X1 ) m2 (X2 ) ( 1 = 2 )] (X1 ↔ X2 )} A A MA MA MA MA |
3 |
Отношение совместности имеет место и на множестве С. Условие истинности отношения совместимости между элементами какой-либо пары (c1,c2) на C2 может быть установлено из реального условия возможности применения технических средств на одном этапе обработки (в переходе или операции). Например, в одном переходе можно применять токарный станок и резец (они совместны в обработке), но нельзя использовать токарный станок и фрезу (они несовместны в обработке). Совместность средств обработки может быть определена по их свойствам.
Рассматривая взаимодействие технологических предметов в процессе обработке, определим, что существует взаимодействие, выраженное в том, что обрабатываемая поверхность, станок, инструмент, режимы резания, оснастка, базовая поверхность могут быть одновременно использованы на одном и том же этапе процесса изготовления. Например, в одном переходе используются: базовая поверхность, обрабатываемая поверхность, станок, инструмент и оснастка, необходимые для её обработки. Будем называть эти технологические предметы совместными в обработке или предметами, между которыми установлено отношение совместности. Для обозначения отношения совместности будем использовать символ ↔:
х ↔ y или Qt2(x,y)
В отличие от рассмотренного выше отношения следования отношения совместности имеет место между различными предметами, а именно между поверхностью и станком, между поверхностью и инструментом, между поверхностью и базовой поверхностью, между поверхностью и оснасткой, между станком и инструментом, между станком и оснасткой, между базовой поверхностью и оснасткой.
Рассматривая взаимосвязь различных технологических предметов легко установить, что существуют такие предметы, когда один предмет «или несколько» предопределяет наличие, употребления другого предмета в технологическом процессе. Например, использование токарного станка предопределяет использование токарных инструментов (резцов различного профиля). Поверхность вращения предопределяет необходимость использования станков, на которых можно обрабатывать эти поверхности, а именно: токарных, сверлильных, револьверных и т.п.. Для обозначения отношения предопределения будем употреблять символ →:
х → y или Qt3(x,y)
Отношение предопределения также, как и отношение совместности, существует лишь между различными предметами, а именно: обрабатываемая поверхность предопределяет станок, инструмент, базу, режим резания и оснастку; станок – инструмент, режим резания и оснастку; инструмент – режим резания и оснастку; база – определенную оснастку.
Итак, можно сделать вывод, что между технологическими предметами и их свойствами существует отношение принадлежности; между технологическими предметами имеются отношения следования, совместности и предопределения.
В процессе проектирования технолог изучает свойства технологических предметов и, выбирая необходимые, сравнивает их между собой. Одни свойства имеют в технологии цифровые значения, например, квалитет точности, геометрические параметры и т.п.; другие, такие, как вид поверхности и т.п., имеют словесные наименования. Для сравнения цифровых значений свойств достаточно рассмотреть лишь два отношения: равенство (=), например, [m1] = [m2] или Rt2(m1, m2) и неравенства, которые будем обозначать символом (<), например, [m1]<[m2] или Rt1(m1, m2). Для свойств, не имеющих в технологии количественных характеристик, будем определять отношения равенств Rt2 и неравенства Rt2.
Еще раз отметим, что арифметическое отношение меньше (<) имеет место лишь для значений свойств, а отношение равенства Rt2 будем употреблять для цифровых значений (наименований) свойств и предметов.
Определение областей существования отношений проведем с помощью логического анализа технологических законов, правил и утверждений. В технологическом описании проектирования технологических процессов, как правило, не встречаются в явном виде утверждения в тех формулировках, которые мы будем рассматривать ниже, но, анализируя технологические знания, эти утверждения можно выделить. Рассмотрим те утверждения, в которых идет речь о наличии (существовании) отношений между предметами.
Утверждение 1. Каждый технологический предмет обладает хотя бы одним свойством.
Используя символику логики предикатов, запишем это утверждение в виде
X Pt [Pt(x)],
Т М
где — символ квантора общности; - символ квантора существования.
Рассмотрим, для каких подмножеств Т и М записанное высказывание состоит из истинных элементарных высказываний.
Множество Т технологических предметов включает в себя следующие подмножества: T1 - множество станков, Т2 - множество инструментов, Т3 - множество режимов резания, Т4 - , множество оснастки, Т5 - множество обрабатываемых поверхностей (поверхностей детали), Т6 - множество базовых поверхностей. Таким образом, Т = T1 U T2 U Т3 U Т4 U Т5 U Т6.
Множество М свойств технологических предметов включает:
М1 - множество свойств станков, М2 - множество свойств инструментов, М3 - множество свойств режимов резания, М4 - множество свойств оснасток, М5 - множество свойств обрабатываемых поверхностей, М6 - множество свойств базовых поверхностей.
Утверждение 2. Каждый технологический предмет связан каким-либо отношением Qt с другим технологически предметом:
X Y [X Qt Y].
Т T
Утверждение 3. Для каждого технологического предмета найдется другой, который совместен с первым в процессе обработки:
X Y [X ↔ Y].
Т T
Утверждение 4. Существуют технологические предметы, которые предопределяют друг друга в технологическом процессе обработки:
X Y [X → Y].
Т T
Технологические утверждения содержат описание условий, правильных сточки зрения технологии и производства, выраженные через взаимодействия между предметами и их свойствами. В условиях описываются взаимодействия сточки зрения требований основного служебного назначения и других классов требований.
Математическое описание технологических утверждений позволяет выразить в формализованном виде целевые установки по проектированию технологии и закономерности их достижения, обеспечивающем в дальнейшем их построение с помощью формальных процедур. В математическом описании технологических утверждений используются основные логические зависимости, полученные ранее.
Все технологические предметы взаимосвязаны. Взаимосвязь задается в следующем виде: если имеется какой-либо предмет с определенными свойствами, то он предполагает наличие другого технологического предмета с определенными свойствами. Например, наличие поверхностей вращения предполагает наличие станков, допускающих обработку таких поверхностей, токарных, сверлильных, револьверных и т. п. Аналогично могут быть записаны зависимости других параметров станка и инструмента от свойств обрабатываемой поверхности.
Теперь рассмотрим утверждения, из которых могут быть определены условия правильных, с точки зрения технологии, взаимодействий различных технологических предметов в технологическом процессе. Ранее мы выразили эти взаимодействия в виде отношений следования, совместности и предопределения. Исследуем, при каких условиях выполняется отношение следования. Проанализируем следующие технологические утверждения: поверхности наивысшего качества обрабатывают на последних этапах обработки, черновая обработка предшествует чистовой обработке, более точные станки применяют после менее точных и т. п. Из этих утверждений следует, что основой упорядочения технологических предметов является свойство качества. Предмет с более низким качеством предшествует в процессе обработки предмету с более высоким качеством. Для обрабатываемых поверхностей эта зависимость имеет вид
X1 X2 m1 m2 {[ [m1 (X 1 )] [m2 (X 2 )] ( [m1] < [m2]) ] [X 1 ─< X 2]}.
Т5 T 5 M25 M25
Т.е. формула описывает следующие условия:
1) если два предмета обладают такими значениями качества, что одно из них меньше другого, то предмет, обладающий худшим качеством, предшествует в процессе обработки предмету, обладающему более высоким качеством;
2) для каждого предмета существует другой предмет, связанный с первым отношением следования.
Рассмотрим, при каких условиях между предметами выполняется отношение совместности. Как было определено выше, предметы совместны, если используются на одном и том же этапе обработки. Использование средств обработки предопределено свойствами обрабатываемых поверхностей. В этой связи рассмотрим условия выполнения отношения предопределения, а затем отношения совместности.
Пусть имеется обрабатываемая поверхность (плоскость), которая по своим свойствам требует использования соответствующего станка (например, вертикально-фрезерного). Из технологической практики известно, что такие свойства обрабатываемой поверхности, как вид поверхности, ее качество (квалитеты точности и шероховатость), положение поверхности и ее соотношение с другими поверхностями, предопределяют тот метод или методы обработки, которыми должны обладать средства обработки, станок и инструмент. Таким образом, поверхность с определенными свойствами предопределяет станок и инструмент с определенным методом обработки, следовательно, поверхность предопределяет станок и инструмент.
Выбранный метод обработки, а также такие свойства обрабатываемой поверхности, как вид поверхности, положение и соотношение с другими поверхностями, позволяют определить еще одно свойство станка, а именно его вид.
Вид станка, выбранный метод обработки, а также свойства обрабатываемой поверхности позволяют определить вид инструмента. Таким образом, условием наличия отношения предопределения между поверхностью, станком и инструментом является наличие определенной зависимости между свойствами станка, обрабатываемой поверхности и инструмента.
Исходя из рассмотренных утверждений, можно сделать вывод, что совместность технологических предметов в процессе обработки может быть записана формулой, которую можно использовать в процедурах автоматизации процессов проектирования.
