ZINTEGROWANY MODEL DANYCH DLA SYSTEMU WSPOMAGAJĄCEGO PROJEKTOWANIE ZAUTOMATYZOWANYCH SYSTEMÓW WYTWARZANIA. CZ. II. ATRYBUTY OBIEKTÓW Jerzy STAMIROWSKI, Krzysztof BORKOWSKI Streszczenie Budowa zintegrowanego modelu danych dla systemu wspomagającego projektowanie zautomatyzowanych systemów wytwarzania (ZSW) wymaga wyspecyfikowania obiektów, atrybutów i domen ich wartości. Obiekty określają funkcjonalność obszaru przedmiotowego, a atrybuty i ich wartości wnoszą informacje o właściwościach obiektów. Dane te mają duże znaczenie dla budowy systemu wspomagającego projektowanie ZSW. Ważnym zagadnieniem budowy modelu są metody specyfikacji niezbędnych atrybutów obiektów i domen ich wartości. Wielkości te można uzyskać tradycyjnymi metodami analizy systemowej i inżynierii oprogramowania lub z pliku wymiany danych w języku EXPRESS, w przypadku zintegrowanego modelu danych zgodnego ze standardem STEP. Słowa kluczowe zautomatyzowany system produkcyjny, obiekt, atrybuty obiektu, zintegrowany model danych, wspomaganie komputerowe projektowania, wytwarzanie, produkt, technologia 1. Znaczenie wyboru atrybutów obiektów Jednym z kluczowych problemów budowy systemu komputerowego wspomagającego projektowanie ZSW jest budowa modelu danych. Dane pochodzą z obszaru przedmiotowego, którym jest środowisko przemysłowe. Środowisko integruje dane odnoszące się do wyrobu, procesu technologicznego i systemu wytwarzania (urządzenia technologiczne) [1] [4]. Sformalizowane dane powinny opisywać wymienione trzy obszary. Problemowi formalizacji danych poświęcono dużo miejsca w literaturze, zwracając szczególną uwagę na integrację, której problemy nie zostały jeszcze do końca rozwiązane. Podstawowe wymagania stawiane modelowi danych z punktu widzenia wartości poznawczych i zarządzania danymi to: elastyczność przystosowanie do opisu wielu architektur systemów produkcyjnych, procesów i wyrobów, skalowalność przystosowanie do zmiennych potrzeb użytkownika, integracja produkt, proces, system i ich związki powinny odnosić się do cyklu życia wyrobu i zapewniać ujednolicony standardami przepływ danych. W budowie modelu danych preferowane jest podejście zorientowane obiektowo. Środowisko systemu przemysłowego analizowane jest pod kątem specyfikacji obiektów odgrywających znaczącą rolę w procesie projektowania ZSW. Dla wyspecyfikowanych obiektów wybierane są właściwości dostarczające niezbędnej informacji o roli obiektu i jego zachowaniu. Dla obiektów i atrybutów realnego środowiska przedmiotowego budowane są ich odpowiedniki w środowisku systemu informatycznego. Nazwana klasa, np. punkty, opisuje zbiór obiektów realnego świata, mających określone właściwości, które w modelach danych nazywane są atrybutami (nazwa, współrzędna x, współrzędna y i współrzędna z). Obiekty tworzymy z klas, przypisując atrybutom wartości liczbowe lub opisowe. Wartości nadane atrybutom muszą należeć do domeny dopuszczalnych wartości atrybutu. Wszystkie obiekty klasy nazywamy instancją klasy. Język EXPRESS [2] pozwala definiować atrybuty klasy. Opis atrybutu składa się z deklaracji typu (liczbowe, opisowe), nazwy i wartości. Zbiór wyspecyfikowanych obiektów opisuje obszar przedmiotowy od strony funkcjonalnej (częściowo abstrakcyjnej) i nie mówi nic o problemach wynikających z wartości atrybutów. Wytwarzanie małych detali osiowosymetrycznych o umiarkowanych wymaganiach jakościowych i eksploatacyjnych i wytwarzanie wałów dużych maszyn o dużych wymaganiach jakościowych i eksploatacyjnych to różne problemy procesu wytwarzania. Model danych z określoną liczbą obiektów, ich atrybutów i wartości, wyznacza granicę stosowalności systemu. W przypadku systemu wspomagającego projektowanie ZSW, określa on poziom uniwersalności systemu oraz rodzaj i zakres ZSW, które można projektować za pomocą systemu. Stosowalność systemu zdeterminowana w dużej części przez obiekty, atrybuty i domenę wartości wpływa w szczególności na pierwszy etap projektowania, którym jest wybór obrabiarek i urządzeń technologicznych. Opracowanie zbioru niezbędnych obiektów i atrybutów oraz domen ich wartości jest ważnym etapem budowy modelu danych. Tradycyjnie obiekty, atrybuty i wartości można ustalić na podstawie metody zalecanej przez 20
Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2014 inżynierię oprogramowania i analizę systemową. Należy przy tym pamiętać, że w procesie projektowania ZSW używane są obiekty konstrukcyjne i elementarne obiekty obróbkowe. Obiekty konstrukcyjne określają granice wymiarowe wytwarzanych wyrobów, a opracowane w oparciu o nie elementarne obiekty obróbkowe są podstawą procesów technologicznych, dla realizacji których będą wybierane obrabiarki i urządzenia technologiczne. Obiekty i atrybuty można również uzyskać z plików wymiany danych zintegrowanego środowiska wymiany danych cyklu życia wyrobu, opartego na standardzie ISO 10303 STEP. Wymiana danych w zintegrowanym środowisku odbywa się przez plik wymiany danych lub przez interfejs SDAI (Standard Data Access Interface ISO 10303-22) [3]. Plik wymiany danych to plik w języku EXPRESS. Język EXPRESS nie jest językiem programowania, jest to język opisu informacji. 2. Atrybuty wybranych klas obiektów uzyskane w drodze analizy obszaru przedmiotowego W wyniku analizy systemowej środowiska produkcyjnego wyspecyfikowano klasy, używane w procesie projektowania ZSW [4]. Do budowy modelu danych wybrano atrybuty niezbędne do wyboru urządzeń technologicznych i procesu projektowania ZSW. Wartości atrybutów dla konkretnego zadania projektowego wprowadzane są do systemu przez interfejs użytkownika. Po wprowadzeniu danych odbywa się sprawdzenie, czy system jest odpowiedni dla zgłoszonego zadania projektowego. Wyspecyfikowane klasy Wyrób: opis, elementarny obiekt obróbkowy, scenariusz produkcji, problemy produkcyjne. Procesy technologiczne: operacja, zabieg, parametry obróbki, marszruta, przyrząd mocujący (palety), położenie wyrobu zamocowanego w przyrządzie (na palecie). System produkcyjny: charakterystyka systemu produkcyjnego, wybrany system, charakterystyka produkcji systemu, obrabiarka, urządzenie transportowe, stacja załadunku/wyładunku, narzędzie, transport narzędzi, paleta fizyczna, przebieg ewaluacji. Niżej przedstawiono atrybuty dla wybranych klas. Atrybuty klasy opis Podstawowe atrybuty klasy to identyfikator, klasa tolerancji i wymiary. Wymiary określające przestrzeń zajmowaną przez detal to jedno z podstawowych kryteriów wyboru obrabiarki. Niżej przedstawiono listę atrybutów. id_; id_material klasa_tolerancji Identyfikator rodzaju Rodzaj materiału Ogólna klasa dokładności wykonania id_geometrii_przygotówki Rodzaj przygotówki geometria id_geometrii k Geometria po obróbce x_gran_pos wzdłuż osi dodatniej x x_gran_neg wzdłuż osi ujemnej x y_gran_pos wzdłuż osi dodatniej y y_gran_neg wzdłuż osi ujemnej y z_gran_pos wzdłuż osi dodatniej z z_gran_neg wzdłuż osi ujemnej z koszt_out Koszt wykonania na zewnątrz Atrybuty klasy Elementarny obiekt obróbkowy Na potrzeby projektowania ZSW może być wykorzystywane wariantowe i generacyjne projektowanie procesów technologicznych [5], [6], [7]. Charakterystyczną cechą projektowania generacyjnego jest operowanie tzw. obiektami elementarnymi, występującymi w wariantach konstrukcyjnym i obróbkowym [8]. Przyjęcie metody generacyjnej wiąże się ze specyfikacją atrybutów klasy elementarny obiekt obróbkowy. Elementarne obiekty obróbkowe należą do i są związane z jego geometrią. Każdemu wyspecyfikowanemu obiektowi odpowiadają technologiczne zabiegi obróbki. Ponieważ współcześnie obróbka prowadzona jest na obrabiarkach CNC, każdy obiekt elementarny musi być zlokalizowany w układzie. Elementarne obiekty obróbkowe zostały zdefiniowane w normie ISO 14649 [8]. id_obiektu_ob id_ Identyfikator obiektu elementarnego Identyfikator, do którego należy elementarny obiekt obróbkowy id_zabiegu Zabiegi wymagane do obróbki obiektu elementarnego. Mogą to być operacje alternatywne (różne maszyny i parametry obróbki) typ_obiektu_ob Typ elementarnego obiektu obróbkowego, np. płaszczyzna, kieszeń, otwór, powierzchnia sferyczna itp. poloz_wzdluz_x Położenie obiektu elementarnego wzdłuż osi x układu współrzędnych poloz_wzdluz_y Położenie obiektu elementarnego wzdłuż osi y układu współrzędnych ciąg dalszy tabeli na str. 22 21
ciąg dalszy ze str. 21 poloz_wzdluz_z Położenie obiektu elementarnego wzdłuż osi z układu współrzędnych wymiar_dx Wymiar wzdłuż +x wymiar_dy Wymiar wzdłuż +y wymiar_dz Wymiar wzdłuż +z wymiar_ux Wymiar wzdłuż -x wymiar_uy Wymiar wzdłuż -y wymiar_uz Wymiar wzdłuż -z cos_x cos_y cos_z elementarnego a osią x układu elementarnego a osią y układu elementarnego a osią z układu Atrybuty klasy Zabieg Klasa zabieg przechowuje zabiegi technologiczne dla elementarnych obiektów obróbkowych. Powiązana jest z klasą opis i z klasą parametry obróbki. id_zabiegu Identyfikator zabiegu id_parametry Identyfikator parametrów obróbki dla opisywanego zabiegu id_geom Zmiana w geometrii w wyniku zabiegu id_plaszcz_b Płaszczyzna bezpieczna dla zabiegu czas_zabiegu Czas wykonania zabiegu id_kier_narz Kierunek osi narzędzia typy_obr Typ obrabiarki, na której można wykonać zabieg alte_ob_zab Alternatywny zabieg poprz_zab Zabieg poprzedzający lacz_zab Zabiegi wykonywane łącznie (te same palety, te same obrabiarki) Atrybuty klasy Parametry obróbki Klasa przechowuje parametry obróbki dla zabiegów technologicznych. Związana jest z klasą zabiegów odnoszących się do obróbki elementarnych obiektów obróbkowych. Dostarcza parametry obróbki zabiegom technologicznym realizującym obróbkę elementarnych obiektów obróbkowych. Atrybuty klasy Obrabiarka Właściwości obrabiarki opisane są dużą liczbą atrybutów, w których można wyróżnić: identyfikator; cenę; liczbę osi; gabaryty; przestrzeń pracy w osiach x, y, z; przemieszczenia wzdłużne w kierunku dodatnim i ujemnym osi x, y, z; obroty w kierunku dodatnim i ujemnym osi B i C; parametry obróbki; magazyn narzędzi; czasy wymiany; charakterystyki eksploatacyjne; zastosowanie do części pryzmatycznych, obrotowych itp; do obróbki zgrubnej lub wykańczającej. Właściwości klasy obrabiarka opisane są przez około pięćdziesiąt atrybutów. Popularnym źródłem pozyskiwania wartości atrybutów są katalogi producentów. Informacja podawana w katalogach jest często niepełna i wtedy należy korzystać z wiedzy ekspertów. Baza danych Atrybuty i wartości obiektów to zbiór istotnych informacji dla wyboru obrabiarek projektowanego ZSW. Zestaw wszystkich obiektów i atrybutów przechowywany jest w bazie danych. Ponieważ najpowszechniej stosowane są relacyjne bazy danych, obiekty mapowane są do modelu relacyjnego. Dla właściwego i sprawnego przetwarzania danych w modelu relacyjnym, tabele klas powiązane są tabelami asocjacyjnymi. Tak zbudowaną bazę danych należy traktować jako źródło danych dla systemu wspomagającego projektowanie ZSW. Uwaga dla automatyzacji montażu Podobne podejście można zastosować do wyboru urządzeń technologicznych dla zautomatyzowanych linii montażu, w których do realizacji operacji montażowych można wykorzystywać maszyny i urządzenia technologiczne produkowane przez wyspecjalizowane firmy. 3. Możliwość wykorzystania do budowy modelu danych atrybutów z pliku wymiany w języku EXPRESS Zakłada się, że procesy cyklu życia wyrobu będą automatyzowane w zintegrowanym środowisku informacyjnym. Podstawową cechą integracji jest współpraca systemów uczestniczących w cyklu życia wyrobu w ujednoliconej przestrzeni informacyjnej. Dla organizacji takiej przestrzeni opracowano zintegrowany informacyjny model wyrobu przedstawiony w standardzie ISO 10303 STEP [4]. Wymiana danych pomiędzy systemami odbywa się przez pliki wymiany danych w języku EXPRESS, które generowane są na wyjściu programów CAD/CAM, tj. CATIA, SolidWorks. Ponieważ plik w języku EXPRESS generowany jest automatycznie, dostrzeżono możliwość wykorzystania danych zawartych w pliku do automatyzacji projektowania procesu technologicznego. Generowane pliki w języku EXPRESS zawierają w specyficznej dla języka formie opisy obiektów, ich atrybuty i wartości odnoszące się do projektowanego. Okazuje się, że przez odpowiednie przetworzenie pliku wymiany danych w języku EXPRESS, można rozpoznać i wyodrębnić elementarne obiekty obróbkowe i ich atrybuty [9], [10]. Przetworzenie uzyskanej z pliku w języku EXPRESS listy obiektów elementarnych, przez programy przyporządkowujące obiektom zabiegi i parametry 22
Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2014 obróbki, pozwoli wygenerować procesy technologiczne dla elementarnych obiektów obróbkowych. Ze względu na specyfikę projektowania procesów technologicznych takie przyporządkowanie będzie wymagało wiedzy ekspertów. Przetworzenie danych procesów technologicznych elementarnych obiektów obróbkowych przez programy grupujące zabiegi i przyporządkowujące im obrabiarki pozwoli uzyskać listę obrabiarek, na których można wytworzyć założone do wytwarzania detale. Taki sposób postępowania pozwala wykorzystać w procesie projektowania ZSW dane wygenerowane automatycznie przez systemy CAD/CAM. Dane z plików wymiany w języku EXPRESS przetwarzane dalej przez odpowiednie programy automatyzują procesy wyboru obrabiarek i urządzeń technologicznych oraz wybrane procesy projektowania ZSW. Można uznać, że pliki w języku EXPRESS i dane wymieniane przez specjalistyczne programy tworzą zintegrowany model danych, który może być zastosowany w systemie wspomagającym projektowanie ZSW. Z wybranych obrabiarek i urządzeń technologicznych budowane są ZSW. Przed fizyczną realizacją ZSW, przebieg procesów wytwarzania powinien być sprawdzony na modelach zgodnie z założonymi harmonogramami produkcji [11]. Uwaga dla automatyzacji montażu Można podjąć próbę zastosowania tej metody do wyboru urządzeń technologicznych dla zautomatyzowanych linii montażu. W tym przypadku istnieje możliwość wykorzystania schematu opisującego strukturę wyrobu (product_structure _schema) z rozdziału ISO 10303-44 protokołu zastosowania ISO 10303-203 (AP 203). 4. Podsumowanie System komputerowego wspomagania projektowania ZSW przetwarza dane z obszaru przedmiotowego integrującego: wyrób, procesy technologiczne i system produkcyjny. Obiekty określają charakter i zachowanie obszaru przedmiotowego, atrybuty opisują właściwości obiektu, a ich wartości wymiarują obszar przedmiotowy. Obiekty, atrybuty i ich związki tworzą model danych. Budowany metodą tradycyjną model specyfikuje obiekty, ich atrybuty i związki na podstawie metody analizy systemowej i inżynierii oprogramowania, a następnie implementuje model do relacyjnej bazy danych. Informacja o wartościach atrybutów uzyskiwana jest z katalogów, informacji producenta i wiedzy ekspertów. Źródła powinny być wiarygodne. Model danych można również budować, wykorzystując własności opracowanego w standardzie ISO 10303 STEP zintegrowanego informacyjnego modelu wyrobu określającego zasady wymiany danych pomiędzy procesami uczestniczącymi w cyklu życia wyrobu. Przetwarzając pliki wymiany danych w języku EXPRESS, które generowane są przez systemy CAD/CAM w procesie projektowania, uzyskujemy automatyczny dostęp do danych o obiektach, atrybutach i wartościach projektowanego wyrobu. Dane te możemy przetwarzać przez kolejne programy aż do poziomu wyboru obrabiarek i urządzeń technologicznych i wykorzystywać w innych pracach wchodzących w proces projektowania ZSW. LITERATURA 1. Łunarski J.: Projektowanie procesów technicznych, produkcyjnych i gospodarczych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2011. 2. Norma PN-ISO 10303-11: Systemy integracji i automatyzacji przemysłowej. Reprezentacja i wymiana danych o produktach. Metody opisu. Język EXPRESS. 3. Kołczin A.F., Owsjannikow M.W., Strjekałow A.F., Sumarokow S.W.: Uprawlenije żizniennym cikłom produkcji. Wydawnictwo Ancharsis, Moskwa 2002. 4. Tulio Tolio (redaktor): Design of Flexible Production Systems. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2009. 5. Świć A.,Taranienko W.: Projektowanie technologiczne elastycznych systemów produkcyjnych. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2003. 6. Gola A.: Metodyka doboru podsystemu obrabiarek w elastycznym systemie produkcyjnym klasy korpus. Rozprawa doktorska. Politechnika Lubelska, Lublin 2010. 7. Feld M.: Podstawy projektowania procesów technologicznych typowych części maszyn. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2009. 8. Norma ISO 14649-201:2011: Industrial automation systems and integration Physical device control Data model for computerized numerical controllers Part 201: Machine tool data for cutting processes (STEP-NC). 9. Malleswaria V.N., Vallib P.M., Sarcarc M.M.: Automatic Recognition of Machining Features using STEP Files. International Journal of Engineering Research & Technology, Vol. 2, Issue 3, March 2013. 10. Deb Sankha, Parra-Castillo J. Raul, Ghosh Kalyan: An Integrated and Intelligent Computer-Aided Process Planning Methodology for Machined Rotationally Symmetrical Parts. International Journal of Engineering Research & Technology, Vol. 13, Issue 1, 2011. 11. Paprocka I., Kempa W.: Modelowanie i symulacja systemu produkcyjnego w celu pozyskania stabilnego harmonogramu. Cz. II. Przegląd Mechaniczny, nr 3, 2013, s. 22 26. Dr hab. inż. Jerzy Stamirowski, prof. Politechniki Świętokrzyskiej Katedra Automatyki i Robotyki, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Politechnika Świętokrzyska, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce. Mgr inż Krzysztof Borkowski doktorant Katedry Automatyki i Robotyki, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Politechnika Świętokrzyska, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce. 23
AN INTEGRATED DATA MODEL FOR A SUPPORT SYSTEM IN AUTOMATED MANUFACTURING SYSTEM DESIGN. PART 2: OBJECT ATTRIBUTES Abstract A creation of an integrated data model for a support system in the automated manufacturing systems (AMS) design requires specified objects, attributes and their domains. The objects determine a functional object area; whereas, the attributes together with their values carry information about objects properties and measure the objects. Hence, these values are significant in creation of the AMS support system design. Another significant issue in creating a particular model are methods of specified indispensable object attributes and their domains. These values are obtained either by means of traditional methods of system analysis and software engineering or are extracted from the EXPRESS language data exchange file in the case of a STEP- -based AMS data model. Keywords automated manufacturing systems, object, object attributes integrated data model, computer aided design, manufacturing, product, technology 24