1.3. Учет иерархического строения станочной системы

Обычный металлорежущий станок представляет собой сложную четырехуровневую иерархическую систему вида: станочная система, агрегат, узел, деталь. При этом станочная система является элементом старшего уровня, а детали станка составляют элементы младшего уровня. Основной характеристикой иерархии первого уровня является деталь, а свойством - ее геометрия. Выходным пара­метром второго уровня служит узел, а свойство - движение. Третий уровень: агрегат характеризуется выпол­нением определенной операции. Станочная система (это четвертый уровень) обеспечивает реализацию некоторого технологического процесса.

Необходимо отметить, что деление станочной системы на че­тыре уровня является приближенным. Могут быть предусмо­трены дополнительные подуровни. Так, например, подуровнем станочной системы является уровень станочного модуля. Затем узлы станка могут быть разбиты на другие подузлы (механизмы), кото­рые, в свою очередь, включают функционально обособленные устройства следующего подуровня и т.д. Примером этому является представление станочного модуля, реализованного в виде робототехнического комплекса (РТК) как иерархической системы. Пусть робототехнический комплекс состоит из двух токарных станков с ЧПУ 1, промышленного робота 2 и загрузочно-разгрузочного устройства 3 (УЗР), рис. 4. Общая иерархическая структура РТК в виде дерева представлена на рис. 5. При этом робототехнический комплекс является старшей системой (уровень 1) по отношению к элементам второго уровня (станки, робот, УЗР). С другой стороны, элементам второго уровня это старшие системы для элементов третьего уровня (узлы).

Рис. 4 Станочный робототехнический комплекс

Рис. 5 Робототехнический комплекс как иерархическая система

В любом случае, последовательность действий, характер­ных для процесса проекти­рования, имеет основные проектные процедуры, которые выполняются при поиске технических решений. Они будут иметь следующий вид: синтез - анализ - принятие решения. Если анализ - это процесс мысленного выделения (расчленения) из объекта элементов с имеющими между ними связями, то диалектически связанный с ним синтез - это процесс генерирования вариантов конструкции и выбор со­гласно значениям целевой функции одного или нескольких наиболее предпочтительных вариантов.

Так как целевая функция лишь комплексно оценивает каче­ство вариантов, для окончательной оценки конкурирующих вариантов необходимо вычисление показателей качества, не­посредственно заложенных в техническом задании. Эта операция выполняется при анализе. В процессе принятия решения по результатам анализа произ­водится окончательный выбор проектного варианта. Последнюю операцию обычно выполняет проектировщик, тогда как процедуры анализа и синтеза могут быть автоматизированы на ЭВМ.

Различают структурный и параметрический анализ и синтез. Сначала производится выбор структуры конструктивного ва­рианта, а затем выбор его параметров. Наиболее трудноформали­зуемые процедуры структурного синтеза и анализа

Принципы создания и эксплуатации систем автоматизирован­ного проектирования регламентированы ГОСТами, в которых указано, что САПР включает техническое, математическое, программное, информационное, методическое, организационное и лингвистическое обеспечение. ГОСТ 23501.0-96 устанавливает следующие принципы по­строения САПР и ее подсистем: системное единство, развитие, совместимость, стандартизация. Поясним это. Так, принцип системного единства заключается в том, что при разработке и функционировании САПР связи между ее составляющими должны обеспечивать целостность системы. При этом САПР должна быть развивающейся системой. Она должна функционировать с учетом пополнения, совершенствования и обно­вления составляющих подсистем.

Другой принцип совместимости означает, что коды, языки, про­граммы, информационные и технические характеристики связей между составными частями САПР должны обеспечивать совме­стное функционирование подсистем.

Принцип стандартизации предполагает проведение меропри­ятий по типизации и унификации подсистем и составляющих САПР, универсальных по отношению к проектируемым объектам.

Считается, что главным ограничением при комплексной автоматизации про­ектирования объектов является «размерность» /4/. В этом случае необходимо использовать принципы разработки сложных систем по частям. Для реализации этих принципов исполь­зуется декомпозиция (расчленение) систем. Основным приемом при этом является построение дерева декомпозиций по признаку иерархии. Дерево декомпозиции будет соот­ветствовать дереву иерархической структуры системы, как указано на рис. 5.

С учетом вышеуказанных процедур синтеза и анализа каждому используемому уровню автома­тизации проектирования будет соответствовать своя математи­ческая модель объекта проектирования. Отметим, что математическая модель есть совокупность зависимостей, находящихся в не­котором отношении. Обычно используют понятие математической модели объекта проектирования как совокупность следующих составля­ющих: система уравнений, описывающих процесс функциониро­вания объекта проектирования, ограничения, функция качества, варьируемые параметры и метод варьирования параметров.

Уравнения процесса функционирования объекта проектиро­вания можно представить в виде /8/:

(1)

где - вектор выходных параметров объекта; - вектор конструктивных параметров;

- вектор воздействия (внешних и внутренних);

τ – аргумент.

Ограничения, накладываемые на конструктивные параметры, могут быть в виде уравнений и неравенств:

(2)

Функция качества – это целевая функция или вектор показателей качества, т.е.

(3)

Варьируемыми пара­метрами являются кон­структивные параметры к ко­торым относятся как струк­турные параметры кон­струкции, так и параметры конструктивных элементов. В качестве отношений между составляющими математической модели возь­мем их взаимодействие в процессе получения требуемых зна­чений проектных параметров.

Это взаимодействие можно пре­дставить в виде структурной схемы системы с отрица­тельной обратной связью, рис.6.

На вход модели поступает заданный уровень функции качества Ф₀. В результате сравнения Ф₀ с теку­щим значением функции качества Ф получаем рассогласование ΔФ, которое используется в методе варьирования параметров для вычисления новых значений

Рис.6. Математическая модель объекта проектирования /8/

Далее значе­ния х корректируются в соответствии с ограничениями, в резуль­тате чего получаем вектор В обратной связи математической модели, при полученных значениях составляющих вектора , решаются уравнения про­цесса функционирования объекта и производится вычисление нового текущего значения . На первых трех уровнях автоматизации проектирования пред­ставленная структурная схема будет описывать полную матема­тическую модель, где методом варьирования может является метод проб и ошибок, а в обратной связи соответствующий способ моде­лирования или расчета. Последующие четыре уровня будут иметь по две математические модели: модель синтеза и модель анализа, причем для модели анализа будут использованы только блоки обратной связи.