В Московском государственном технологическом университете МГТУ "Станкин" и Институте конструкторско-технологической информатики Российской академии наук (ИКТИ РАН) был проведен анализ программно-технического рынка для решения задач компьютерной подготовки производства (КПП) в машиностроении. В результате анализа выделено четыре поколения систем, которые условно можно разделить на системы для расчета задач (шестидесятые годы), системы информационной поддержки процесса проектирования (семидесятые годы), системы обработки знаний (восьмидесятые годы) и интегрированные интеллектуальные системы (настоящее время). При этом современный этап развития САПР в машиностроении характеризуется: интеграцией отдельных систем в функционально законченные цепочки для решения задач в рамках Жизненного Цикла создания и изготовления объекта; смещением разработок программных приложений в сторону профессиональных рабочих станций на базе процессоров PENTIUM, объединяемых в сети; внедрением объектно-ориентированных технологий разработок; созданием пользовательских приложений на базе компонентного подхода на операционных платформах Windows95 и UNIX; всесторонним учетом международных стандартов (например, CALS-стандарты); созданием объектно-ориентированных баз знаний, предназначенных для решения часто повторяющихся задач конструкторско-технологической информатики (КТИ).
МГТУ "Станкин" и ИКТИ РАН традиционно выступают в качестве системного интегратора для предприятий машиностроительного комплекса, специализирующихся на производстве станков, инструментов и оснастки, необходимых для функционирования автомобильной, аэрокосмической, электротехнической и газовой промышленности. Такой профиль научнотехнической деятельности связан с наличием опыта по формализации абстрактно поставленных задач, умением интегрировать различные технологии в комплексные решения, практическим владением современными информационными технологиями и базами знаний по основным направлениям машиностроительных переделов, с решимостью взять на себя ответственность перед заказчиком за работоспособность всей системы. При этом МГТУ "Станкин" может осуществлять подготовку квалифицированного персонала по всему кругу задач для обеспечения работоспособности системы в целом у заказчика.
Как системный интегратор, МГТУ "Станкин" и ИКТИ РАН располагают оригинальным набором компонент для решения задач КПП (рис. 1). При этом основная их часть является авторскими разработками. Выделенные на рисунке компоненты (T-FLEX CAD, СИАП и ГЕММА) реализованы стратегическими партнерами.
Предлагаемый набор компонент включает инструментальные программные средства, решающие вопросы CASE-технологии, функциональные базы знаний, модули технологической поддержки и подготовки программ для станков с ЧПУ, для управления участком механической обработки и т.д. Кроме того, здесь же решаются методические и организационные вопросы.
Используемая CASE-технология состоит из следующих программных средств:
Среда ИКС пpедставляет собой интегрированный и взаимодополняющий друг друга набор инструментальных программных средств, поддерживающих технологию программирования с максимальным привлечением знаний и умений экспертов и пользователей при разработке и эксплуатации сложных программно-методических комплексов. ИКС поддерживает и формирует на ЭВМ понятийную модель предметной области (ПрО), различные функциональные зависимости между отдельными свойствами объектов ПрО в виде спецификаций действий, реляционных отношений, правил принятия решений, чертежно-конструкторских зависимостей и т.д.
Средствами ИКС обеспечивается полная автоматизация генерации программ с языков спецификаций на язык программирования С. На базе отдельных правил из сгенерированных программ составляются вычислительные модели. В среде вычислительных моделей планировщик ИКС реализует машину вывода, позволяющую по исходным данным и требуемым результатам планировать последовательность выполнения правил. При необходимости пользователь может заказать протокол вычислений, что соответствует реализации объяснительной функции в экспертных системах [4]. Применение этой технологии позволяет создавать программные приложения с максимальным привлечением специалистов ПрО. Использование ИКС сокращает сроки разработки более чем на порядок.
T-FLEX CAD служит для создания прототипов графических объектов (2D и 3D), их редактирования, параметризации и сохранения в файловой системе. T-FLEX CAD поддерживает и использует объектно-ориентированный способ создания и использования графических баз знаний. При желании пользователь может конвертировать графическое изображение из T-FLEX CAD в один из типовых форматов (например, DXF) или вывести на графопостроитель (Подробнее о системе T-FLEX CAD см. "Автоматизация проектирования" #1, 1996).
Система ИнИС представляет собой оболочку, в рамках которой накапливается прикладная база знаний пользователя, реализованы средства для управления и отображения текущего состояния процесса проектирования в системе. ИнИС pеализуется на ПЭВМ как надстpойка над типовой сpедой пpогpаммиpования (MS DOS, Windows и т. д.).
Описание объекта проектирования в ИнИС строится по следующей схеме (рис.2). В начале на нулевом уровне разрабатывается проект изделия и определяются архивы ранее выполненных разработок. В состав проекта изделия входит вся необходимая информация об основном объекте (например, асинхронный электродвигатель), включающая:
Технологическая часть основного объекта проектирования может использовать как единичные, так и унифицированные технологические процессы (ЕТП и УТП). На следующих уровнях детализации (Х = 1, 2, ...) сохраняются сведения об оснастке, требуемой для изготовления данного объекта. В настоящее время используется необходимая технологическая оснастка, касающаяся штампов для листовой штамповки (Х = 1), прессформ(Х = 2), режущего (Х = 3) и измерительного (Х = 4) инструмента, станочных приспособлений (Х = 5) и т. д. Соответственно на уровнях Х0, Х1, ..., Х5 определяется необходимая информация об оснастке, включающая архивы старых наработок в электронной форме, ФТЗ, расчеты, конструкцию, технологию и программы для оборудования с ЧПУ. Вся эта система имеет единый словарь понятий. Этим достигается возможность отслеживания изменений тех или иных значений. При этом пользователь будет уведомлен о возможных последствиях. За счет такого построения оболочки ИнИС реализована программная архитектура, позволяющая создавать открытые интегрированные системы. На базе этой архитектуры достаточно просто реализуются интегрированные системы совмещенного проектирования и технологической подготовки производства для технических объектов. Особенностью совмещенного проектирования является то, что работы над основным объектом ведутся согласовано во времени и пространстве с проектированием и изготовлением оснастки.
Взаимосвязь ИнИС, ИКС и T-FLEX CAD в ходе создания и эксплуатации программных приложений пользователя приведена на рис. 3.
МГТУ "Станкин" и ИКТИ РАН располагают методикой построения экспертных систем на базе типовых конструкторско-технологических решений. Ввод одного решения, включающего словарь понятий, параметрический чертеж, условия применения решения и базу данных с типовыми параметрами, в среднем занимает от 2 до 5 часов. Обычно одно решение соответствует содержимому одной страницы из типового справочника машиностроителя.
Роль отдельных компонент при формализации представления знаний о предметной области для решения задач КПП приведена на рис. 4. На этом рисунке перечислены следующие компоненты, используемые при решении задач КПП:
ИКС/ССС - система словарей и справочников данных;
ИКС/ИД - интерпретатор табличных зависимостей;
ИКС/СУЭ - система управления экраном;
ИКС/БПР - блоки принятия решений;
ИКС/ПЛ - планировщик решений.
На основе этой методики в МГТУ "Станкин" и ИКТИ РАН для предприятий России материализованы базы знаний по следующим направлениям:
В состав базы знаний по каждому из направлений входит словарь понятий предметной области, функциональные зависимости (в форме аналитических выражений, реляционных таблиц, правил принятия решений, параметрических чертежей), база данных и запросы к ним (в частности на языке SQL), меню расчетов и т.д. Для пользователя базы знаний оформлены в виде систем автоматизированной поддержки инженерных решений.
Базовые составляющие системы автоматизированной поддержки инженерных решений пользователя и их взаимосвязи при решении задач КПП приведены на рис. 5. Собственно база знаний заполняется единожды на этапе разработки.
Каждая из баз знаний работает по следующей схеме: по исходным данным и принятым ограничениям, зафиксированным в ФТЗ, выполняется расчет, на основе которого обосновывается конструкция объекта. Пользователь может использовать стратегию моделирования по аналогу или действуя отдельными операциями. В результате моделирования у пользователя могут возникнуть три ситуации. В ситуации "А" для пользователя формируется набор сборочных и деталировочных чертежей, спецификация к ним и расчетно-пояснительная записка. Ситуация "Б" возникает тогда, когда требования в ФТЗ завышены (занижены) по сравнению с накопленной базой знаний. В ситуации "В" представленное ФТЗ не может быть реализовано из-за отсутствия требуемых свойств понятийной модели или зависимостей между свойствами. То есть от пользователя требуется в ситуации "В" модифицировать базу знаний.
Кроме ИнИС, ИКС и T-FLEX CAD программно-методическую часть персональной рабочей станции конструктора образует система инженерных расчетов. Пользователь в рамках этой системы может выполнить свыше 80% расчетов по деталям машин, используемых в современном машиностроении. Первая очередь включает 14 подсистем.
Среди инженерных расчетов можно выделить систему "КИПР", которая предназначена для автоматизации прочностных расчетов тонкостенных осесимметричных конструкций (оболочки, трубопроводы, аппараты газоочистки, нефте- и бензохранилища, газгольдеры, химические аппараты, теплообменники и т.д.). По сравнению с методом конечных элементов в системе "КИПР" достигается точное решение.
Персональная рабочая станция технолога базируется на основе оригинальных собственных (ТЕМП, ФОБОС) и отечественных (СиАП, ГЕММА-3D-5D) разработок. Системы ТЕМП и СиАП поддерживают четыре методики технологического проектирования: прямое документирование, проектирование на основе процесса-аналога, проектирование из типовых блоков и автоматический синтез технологических процессов.
Система ФОБОС составляет ядро системы управления современным цехом механообработки, интегрируя в единое целое автоматизированную технологическую подготовку производства, оперативное календарное планирование (расчет, коррекцию и компьютерную поддержку производственных расписаний), диспетчерский контроль за состоянием обрабатываемых деталей и сборочных единиц в условиях мелкосерийных и единичных производств.
Средствами системы ГЕММА реализована подготовка управляющих программ для станков с ЧПУ фрезерной, токарной, сверлильной и электро-эрозионной групп оборудования. В рамках этой системы имеются средства создания постпроцессоров для различных типов систем управления станками.
Для реализации функций системного интегратора при решении задач КПП МГТУ "Станкин" и ИКТИ РАН выступают в роли генерального подрядчика проекта и организуют привлечение дополнительных потребных компонент как отечественных, так и зарубежных производителей. С их помощью обычно решаются задачи по созданию программно-технической инфраструктуры (твердотельное моделирование, поставка ВТ и периферии к ней, локальных вычислительных сетей в рамках производственной среды КБ, цеха и т.д., систем управления и т.д.) и организуется выполнение работ с учетом международных стандартов и требований на сертификацию производимых услуг и т.д.
Исходя из указанных тенденций, накопленного опыта по разработке и внедрению программных приложений на предприятиях России МГТУ "Станкин" и ИКТИ РАН активно участвуют в Государственных и региональных программах по решению задач конструкторско-технологической информатики. На рис. 6 показаны особенности проявления подхода МГТУ "Станкин" и ИКТИ РАН к решению задач КПП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рыбаков А.В. Введение в интеллектуальную компьютерную среду (ИКС). Технология: НТС /ЦНТИ "ПОИСК",1989, c. 14-28. (cер. Технология машиностроения, # 11)
2. Бикулов С.А., Козлов С.Ю. Машиностроительный САПР: опыт разработки. - Журнал д-ра Добба. 1991, # 3, с. 10-13
3. Евдокимов С.А.,Рыбаков А.В. Особенности интеграции прикладных систем в машиностроении. Конструкторско-технологическая информатика. Труды конгресса КТИ-96, М. СТАНКИН, с. 118-119
4. Евдокимов С.А., Рыбаков А.В. Программно-компьютерная среда для автоформализации знаний. - Вестник машиностроения, 1990, # 7, с. 40-44.
5. Давыдкин А.С., Краснов А.А., Штицман А.Д. Компьютерная поддержка действий пользователя при конструировании и изготовлении штампов и прессформ. - Кузнечно-штамповочное производство, 1995, # 6. с. 22-24
6. Евдокимов С.А., Краснов А.А., Рыбаков А.В. Особенности создания САПР штампов листовой штамповки с использованием новой информационной технологии. - Кузнечно-штамповочное производство, 1996, # 2. с. 14-17
7. Евгенев Г.Б., Евдокимов С.А., Рыбаков А.В. Интегрированная интеллектуальная система автоматизации конструирования оснастки. - Мат. межд. сем. "Современные технологии производства инструментально-штамповой оснастки", М. Изд-во МГТУ им. Н.Баумана, 1993, с. 44-64