KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 26 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2006 KRZYSZTOF ŻYWICKI *, EDWARD PAJĄK ** SYSTEM EKSPERCKI WARIANTOWANIA OPERACJI TECHNOLOGICZNYCH W artykule przedstawiono budowę systemu eksperckiego wspomagającego wariantowanie operacji technologicznych. System ten pozwala na określenie zbioru rozwiązań umożliwiających prowadzenie procesu technologicznego (operacji technologicznych) oraz wyznaczenie przebiegu optymalnego na podstawie kryteriów ograniczających (koszt, czas). W działaniu tego systemu wykorzystuje się metodę powierzchni elementarnych. W metodzie tej zakłada się, że część obrabiana jest zbiorem powierzchni elementarnych konstrukcyjnych (PE-K), które uzyskuje się przez wykonanie powierzchni elementarnych operacyjnych (PE-O). Elementami tego systemu są bazy danych, zawierające informacje o wszelkich obiektach niezbędnych w procesie technologicznym, oraz bazy wiedzy o możliwościach technologicznych wykonania PE-O i wariantowania operacji technologicznych. Słowa kluczowe: proces technologiczny, wariantowanie, system ekspercki 1. WPROWADZENIE Proces technologiczny obróbki to główny element procesu wytwarzania (w którym oprócz procesu technologicznego występują także procesy pomocnicze, np. transport, magazynowanie). W czasie tego procesu następuje stopniowe geometryczne kształtowanie części obrabianej (zmiany kształtu i wymiarów) i zmiana jej właściwości fizyczno-chemicznych i jakościowych. Zmiany te następują na każdym etapie procesu technologicznego, czyli w operacjach technologicznych, które stanowią zbiór zadań tego procesu. Operacja technologiczna to część procesu technologicznego obróbki wykonywana przez jednego pracownika lub grupę pracowników na jednym stanowisku pracy (obrabiarce). Cechą procesu technologicznego jest jego wariantowość, odnosząca się do różnych obszarów, np. materiałów wejściowych, operacji technologicznych, stanowisk produkcyjnych (obrabiarek), zabiegów technologicznych, narzędzi obróbkowych czy parametrów skrawania. W zależności od warunków rzeczywi- * Mgr inż. ** Dr hab. inż. Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej.
220 K. Żywicki, E. Pająk stych (np. posiadanych środków technicznych), w jakich może zachodzić proces technologiczny, jego projektowanie, uwzględniające możliwe rozwiązania, jest bardzo pracochłonne. Tymczasem w warunkach współczesnego rynku (konkurencyjność) efektem zaprojektowanego procesu powinien być tani wyrób, o pożądanych parametrach jakościowych i szybko dostarczony. Wariantowanie pozwala także na tworzenie alternatywnych procesów technologicznych w sytuacji nadmiernego obciążenia środków technicznych. Wykorzystanie podczas projektowania procesu technologicznego narzędzi informatycznych pozwala znacznie skrócić czas opracowywania. System informatyczny powinien ułatwić wyznaczenie zbioru możliwych rozwiązań, których analiza na podstawie przyjętych kryteriów (np. minimalny koszt, minimalny czas produkcji) pozwoli wyłonić proces optymalny. Dodatkowo system taki powinien umożliwić wykorzystanie doświadczeń w zakresie już prowadzonych procesów technologicznych. Założenia takiego systemu, służącego do wariantowania operacji technologicznych obróbki skrawaniem, przedstawiono w artykule. 2. METODA POWIERZCHNI ELEMENTARNYCH Założeniem metody powierzchni elementarnych (MPE) jest to, że w danej części obrabianej można wydzielić powierzchnie elementarne (ang. features), które można zdefiniować jako wydzielone fragmenty części obrabianej składające się na jej konstrukcyjny kształt końcowy, mające charakterystyczne wymiary geometryczne i parametry jakościowe (np. chropowatość powierzchni, dokładność wykonania), które determinują sposób wykonania tej części. Ten typ powierzchni elementarnych nazwano konstrukcyjnymi powierzchniami elementarnymi (PE K). Rys. 1. Założenia metody powierzchni elementarnych Fig. 1. Assumptions of features method
System ekspercki wariantowania operacji technologicznych 221 Kształtowanie półwyrobu następuje w wyniku wykonania powierzchni elementarnych operacyjnych (PE-O), czyli powierzchni powstających w wyniku zaplanowanego wykonania PE-K składających się na daną część obrabianą, mających określony stan początkowy (wymiary geometryczne, parametry jakościowe), który w wyniku zastosowania danego sposobu obróbki przechodzi w stan końcowy (zbliżając PE-O do PE-K). Na rysunku 1 przedstawiono przykład wydzielenia PE-O dla części obrabianej typu wał stopniowany. 3. SYSTEM EKSPERCKI 3.1. Budowa Ogólną budowę systemu eksperckiego przedstawiono na rys. 2. Jego elementami składowymi są: bazy danych stałych zawierające informacje o elementach procesu technologicznego, baza danych zmiennych przechowująca informacje uzyskane w wyniku wnioskowania systemu, baza wiedzy zawierająca informacje o możliwościach technologicznych wykonania PE-O i wariantowania operacji technologicznych, moduł aktualizacji wiedzy, moduł wnioskujący i interfejs użytkownika. Rys. 2. Schemat budowy systemu eksperckiego Fig. 2. Scheme of expert system
222 K. Żywicki, E. Pająk Do reprezentacji danych i wiedzy wykorzystano metodę obiektową. Obiekt jest podstawowym pojęciem w tej metodzie. Reprezentuje on lub definiuje pewną rzecz lub pojęcie. Obiekt jest odróżnialny od innych obiektów, ma zdefiniowaną nazwę, jednoznaczną identyfikację, atrybuty i metody. Wszystkie obiekty mające ten sam zbiór atrybutów i metod mogą być zgrupowane w jednej klasie. Klasa stanowi wzorzec dla tworzonego obiektu. Klasa jest również rozumiana jako miejsce przechowywania, specyfikacji i definicji takich cech grupy podobnych obiektów, które są dla nich niezmienne. Są to: atrybuty, metody, ograniczenia dostępu, dozwolone operacje na obiektach, wyjątki. Opis struktury danych i wiedzy oparty na tej metodzie pozwolił określić różne powiązania i zależności pomiędzy klasami, obiektami i procedurami. Umożliwiło to komunikację pomiędzy różnymi elementami systemu eksperckiego. 3.2. Bazy danych stałych Bazy danych stałych zawierają informacje o obiektach niezbędne do prowadzenia procesu technologicznego, a tym samym do wariantowania operacji technologicznych: o rodzajach PE-O, środkach technicznych, informacjach znormalizowanych oraz metodach obliczeniowych. Baza danych powierzchni elementarnych operacyjnych zawiera wszystkie odmiany geometryczne powierzchni, które mogą wystąpić podczas kształtowania części należących do danej grupy wyrobów, np. osiowosymetryczne (wałki, tuleje), nieosiowosymetryczne (korpusy, płyty). Opis geometryczny tych powierzchni jest reprezentowany w sposób symboliczny za pomocą charakterystycznych wymiarów oraz parametrów jakościowych: chropowatości powierzchni Ra i tolerancji parametrów wymiarowych. Na rysunku 3 przedstawiono reprezentację danych PE-O, które zgrupowano w klasy (osiowosymetryczne, nieosiowosymetryczne) będące podstawowymi grupami. W ramach tych klas wyodrębniono podklasy, np. walcowe, stożkowe. Klasy te zawierają obiekty, czyli opisaną symbolicznie PE-O. W ramach klas zdefiniowane są także atrybuty, np. wielkości wymiarowe opisujące daną PE-O, oraz metody pozwalające wykonać operacje obliczeniowe, np. obliczyć czas wykonywania PE-O. Cechą charakterystyczną jest to (już o tym wspominano), że wyodrębnione klasy obiektów dziedziczą od klas nadrzędnych atrybuty i metody. Bazy danych środków technicznych zawierają charakterystyczne informacje ujęte w formie klas i obiektów techniczno-ekonomicznych odnośnie do: obrabiarek; wyróżniono tu takie klasy, jak np. tokarki konwencjonalne, centra obróbkowe; w ramach klas określono obiekty, a więc konkretne egzemplarze obrabiarek, które mają atrybuty (dane techniczne), takie jak: prędkość obrotowa (maksymalna, minimalna lub ciąg tych prędkości), posuw, moc silnika
System ekspercki wariantowania operacji technologicznych 223 Rys. 3. Budowa bazy danych PE-O Fig. 3. Database of PE-O napędu głównego, przestrzeń robocza); wyróżniono także metody, np. obliczenie kosztu maszynogodziny; narzędzi; zdefiniowano klasy i obiekty narzędzi w różnych typach i odmianach, np. tokarskie, frezarskie; jednolite, składane (płytka i oprawka); określone atrybuty to: materiał narzędzia, materiał obrabiany, kształt, liczba naroży, promień naroża, rodzaj obróbki: zgrubna, kształtująca; proponowane przez producenta parametry obróbki oraz cena narzędzia; oprzyrządowania; obejmuje klasy i obiekty o uchwytach obróbkowych oraz wyposażeniu specjalnym, które może być niezbędne do wykonania danej PE-O. Baza naddatków obróbkowych zawiera skatalogowane i opracowane wielkości stanów początkowych i końcowych, jakie powinny przyjmować PE-O w celu spełnienia wymagań jakościowych (Ra, dokładność wykonania) powierzchni poprzedzających, zarówno operacyjnych jak i konstrukcyjnych. Baza danych znormalizowanych półwyrobów zawiera klasy materiałów wejściowych, które mogą stanowić półwyrób i są dostępne w formie określonej w normach bądź przez producenta. Baza danych metod obejmuje modele matematyczne ustalania: parametrów obróbki, kosztów narzędzi i eksploatacji obrabiarek, czasów i kosztów wykonywania PE-O, charakterystyczne dla danych klas lub obiektów PE-O uzyskiwanych w operacjach toczenia lub frezowania.
224 K. Żywicki, E. Pająk 3.3. Baza wiedzy o możliwościach technologicznych Baza wiedzy zawiera informacje o możliwościach technologicznych wykonania PE-O z użyciem obrabiarek, narzędzi obróbkowych i oprzyrządowania technologicznego. Możliwości te należy rozumieć jako zdolność wykonania danej PE-O pod względem kształtu geometrycznego bez uwzględnionych parametrów wymiarowych i jakościowych. Wielkości te są określane podczas projektowania wykonania części w module interfejs użytkownika. Baza wiedzy zawiera więc jedynie informacje o wykorzystaniu obrabiarek, narzędzi i oprzyrządowania czy ich typów do wykonania danej symbolicznej PE-O (klasy lub obiektu w bazie danych). Reprezentacja tej wiedzy polega na opracowaniu (stwierdzeniu związków) powiązań pomiędzy obiektami lub klasami baz danych stałych (rys. 4): PE-O, obrabiarek, narzędzi i oprzyrządowania. Baza wiedzy możliwości technologicznych wykonania PE-Q Rys. 4. Baza wiedzy o możliwościach technologicznych wykonania PE-O Fig. 4. Knowledge base of capability of technological execution Opracowanie bazy wiedzy wymaga doświadczenia w zakresie kształtowania części maszyn za pomocą obróbki skrawaniem, zdobytego wcześniej podczas wytwarzania części, a także umiejętności przewidywania, jakie powierzchnie operacyjne mogą wystąpić podczas kształtowania półwyrobu. Jest to zadaniem eksperta uczestniczącego w opracowywaniu systemu.
System ekspercki wariantowania operacji technologicznych 225 3.4. Interfejs użytkownika Interfejs użytkownika jest elementem systemu eksperckiego, do którego wprowadza się (definiuje) informacje o części przeznaczonej do obróbki oraz projektuje jej wykonanie. Sprowadza się to do określenia zbioru PE-O, które należy wykonać, aby osiągnąć stan tej części zdefiniowany jako PE-K. Projektowanie jest wieloetapowym i wielowariantowym procesem wyznaczania zbiorów PE-O, w którym kolejne PE-O o konkretnych wartościach geometrycznych i jakościowych są określane począwszy od części obrabianej (PE-K) do półwyrobu. Zdefiniowanie geometryczne PE-O polega na określeniu jej stanów początkowego i końcowego (wymiarów) z uwzględnieniem wartości proponowanych w systemie eksperckim, a zlokalizowanych w bazie danych naddatków i parametrów dokładności wykonania. Wydzielony zbiór PE-O stanowi podstawę do określenia rodzaju półwyrobu umożliwiającego wykonanie PE-K, a tym samym części obrabianej. Półwyrób dobiera się więc metodą rewersyjną przez definiowanie kolejnych PE-O pozwalających na osiągnięcie zakładanych rodzajów obróbki, od najdokładnejszej do zgrubnej (rys. 5). Półwyrób Rys. 5. Projektowanie wykonania części Fig. 5. Execution part project Wyznaczone zbiory PE-O są informacjami, na podstawie których moduł wnioskujący dokonuje analizy bazy wiedzy o możliwościach technologicznych. W wyniku otrzymuje się zbiór możliwych wykonań PE-O.
226 K. Żywicki, E. Pająk 3.5. Baza danych zmiennych W bazie danych zmiennych przechowuje się informacje uzyskane w wyniku przeprowadzenia procedury wnioskowania na podstawie danych projektowych (rzeczywistych) odnośnie do PE-O danej części obrabianej. Zbiór rozwiązań obejmuje listę obrabiarek, narzędzi obróbkowych i oprzyrządowania dla każdej PE-O zdefiniowanej pod względem geometrycznym (wymiarowym) i jakościowym. 3.6. Baza wiedzy wariantowania Ta baza wiedzy zawiera reguły, procedury i ograniczenia odnoszące się do procesu wariantowania operacji technologicznych. Stosuje się je do danych zawartych w bazie danych zmiennych. Zbiór ten podlega regułom, w wyniku których uzyskiwany jest zakres PE-O możliwych do wykonania na danej obrabiarce z użyciem danych narzędzi i oprzyrządowania przy określonych parametrach obróbki oraz określonym czasie i koszcie. Zakres ten, zgodnie z definicją, jest operacją technologiczną, a więc kolejne zakresy PE-O składają się na proces technologiczny. Każdy zbiór zakresów ma także określony łączny koszt i czas wykonania. System wskazuje zbiór zakresów optymalny z punktu widzenia kryterium kosztów i czasu. Wybór konkretnego rozwiązania należy do obsługującego system. Oczywiście, możliwy jest skrajny przypadek, w którym wykonanie wszystkich PE-O niezbędnych do osiągnięcia części obrabianej będzie przewidziane na różnych obrabiarkach (brak wyodrębnionych zakresów PE-O). W celu wykluczenia takiego przypadku można zastosować procedury ograniczające, a mianowicie określenie zakresu wykonywanych PE-O zgodnego z kryterium koncentracji: maksymalny zakres PE-O wykonywanych na jednej obrabiarce; w wyniku tego kryterium następuje określenie zbioru obrabiarek, na których można wykonać PE-O ze zbioru PE-O; maksymalny zakres PE-O wykonywanych jednym narzędziem; w wyniku tego kryterium następuje określenie zbioru narzędzi, którymi można wykonać PE-O ze zbioru PE-O na danej obrabiarce. 4. PODSUMOWANIE Wariantowanie operacji technologicznych w oparciu o metodę powierzchni elementarnych pozwala na wybór składowych procesu, do których zaliczamy obrabiarki i narzędzia obróbkowe, a także optymalne kształtowanie półwyrobu,
System ekspercki wariantowania operacji technologicznych 227 zgodne z kryteriami ograniczającymi (koszt, czas). Zaproponowana metodyka wyznaczenia wariantów procesu obróbki i ich kosztów pozwala na dostarczenie tych informacji w chwili, gdy nie jest wymagany duży stopień szczegółowości procesu technologicznego wytworzenia części. Oczywiście, proponowana metodyka nie wyczerpuje w pełni zagadnienia wariantowania procesu technologicznego, jednak wsparta zaprezentowanym systemem eksperckim może być pomocna przy sporządzaniu kalkulacji ofertowej bądź w analizie i usprawnianiu procesów wytwarzania w systemie produkcyjnym. LITERATURA [1] Chlebus E., Techniki komputerowe Cax w inżynierii produkcji, Warszawa, WNT 2000. [2] Feng Chang-Xue, Kusiak A., Huang Chun-Che, Cost evaluation in design with form features, Computer-Aided Design, 1996, vol. 28, no. 11, s. 879 885. [3] Knosala R., Zastosowania metod sztucznej inteligencji w inżynierii produkcji, Warszawa, WNT 2002. [4] Lee J. Y., Kim K., Generating alternative interpretations of machining features, Int. J. Advanced Manufacturing Technology, 1999, 15, s. 38 48. [5] Żywicki K., Production flow planning system-technological process varianting, in: 6 International Scientific-Technical Conference for PhD Students. Automation and CA Systems in Technology Planning and in Manufacturing, Herlany 2005, s. 273 277. [6] Żywicki K., Pająk E., Metodyka wariantowania operacji technologicznych. Komputerowo zintegrowane zarządzanie, Warszawa, WNT 2004. Praca wpłynęła do Redakcji 10.04.2006 Recenzent: prof. dr hab. inż. Józef Matuszek EXPERT SYSTEM OF TECHNOLOGICAL PROCESS VARIANTING S u m m a r y In this paper technological process varianting expert system has been presented. The expert system assumptions are based on technological features method. This method assumes that every artifact can be described using design features (PE-K); the design features are shaped in technological process by realization of operational features (PE-O). For these features different technological variants are planned. Key words: technological process, varianting, expert system