УДК.681.3.06:519.6

Мережаный Ю.Г.

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», г. Киев, Украина

ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ

Любой технологический процесс (ТП) представляет собой сложную, иерархически организованную, целенаправленную систему. Значения многих показателей качества деталей (отклонения размеров, формы, взаимного расположения поверхностей и др.) в ходе ТП «ступенчато» уменьшаются до значений, соответствующих заданным допускам. Изменение указанных величин в ходе ТП можно условно считать монотонным, если последний не включает операции термической (химико-термической) обработки. Если же ТП включает такие операции, тогда процесс изготовления детали можно рассматривать поэтапно, т.е. «до выполнения» термической обработки и «после выполнения». При этом каждый из полученных таким образом этапов может рассматриваться как самостоятельный ТП, в котором изменения значений показателей качества происходят монотонно. Технологической операцией называют законченную часть ТП, выполняемую на одном рабочем месте. Операция охватывает все действия над одним или несколькими совместно обрабатываемыми предметами производства. Технологическая операция – основной элемент ТП, имеющий собственную структуру. Технологический переход – это законченная часть технологической операции, выполняемой одними и теми же средствами технологического оснащения при неизменных технологических режимах. Список технологических переходов определяет состав технологической операции. Операция может состоять как из одного, так и нескольких технологических переходов (простых или сложных). Порядок выполнения переходов определяет структуру операции.

В основу построения технологической операции могут быть положены принципы концентрации или дифференциации технологических переходов. При концентрации переходов операция включает максимально возможное при заданных условиях число технологических переходов, что сокращает число технологических операций. При дифференциации переходов, входящих в технологическую операцию, стремятся к сокращению их (переходов) числа. Пределом дифференциации является такое построение ТП, когда в состав каждой операции входит лишь один технологический переход.

Учитывая всё приведенное выше, можно утверждать, что ТП, как система, достаточно структурирован, что бы можно было применить математическое моделирование для описания элементов ТП и принципов его построения.

Генетический алгоритм (ГА) является поисковой программой, которая работает с группой закодированных решений заданной проблемы. ГА представляет собой технику оптимизации, которая моделирует феномен естественной эволюции, основанный на механизмах естественного отбора и наследования. При применении ГА первой задачей становится кодирование решения, т.е. определение значения генов. В качестве генов можно использовать технологические переходы, например, «Подрезать торец», «Точить поверхность», «Сверлить отверстие наглухо» и др. При этом целесообразно выделить некоторые технологические операции (включая переходы) в отдельные гены, например, «Слесарная», «Лакокрасочная» и т.п., что даст возможность ускорить поиск решения ГА. Кроме того, предлагается некоторые, технологически связанные, переходы тоже объединить в один ген, что также оптимизирует работу ГА.

Проектирование ТП – многовариантная задача. Для изготовления одной и той же детали могут быть разработаны различные ТП, отличающиеся технико-экономическими показателями и, прежде всего, затратами на изготовление и производительность, а также обеспечение заданного качества изделия.

Этап оценки дает возможность определить, как каждая хромосома (решение) справляется с данной проблемой. Алгоритм декодирует хромосому применительно к проблеме и проверяет результат решения проблемы с использованием новых параметров. Затем на основании полученного результата рассчитывается «здоровье» хромосомы. Оценку «здоровья» хромосом предлагается проводить в несколько этапов, поскольку в основе разработки любого ТП лежат технический, технико-экономический и экономический принципы. В соответствии с техническим принципом ТП должен обеспечить выполнение всех требований на изготовление изделия, технико-экономический – обеспечить наилучшую производительность, а экономический принцип – определяет условия, обеспечивающие минимальные затраты труда и наименьшие издержки производства (наиболее часто принимают минимальную себестоимость).

Технико-экономический критерий оптимальности (критерий максимальной производительности, т.е. наименьшего штучного времени) выбирается как целевая функция, по которой определяется «здоровье» хромосомы. Например, для токарной обработки она будет иметь вид:

Т_шт = Т_осн + Т_всп + Т_то + Т_оо,

т.е. Fitness(h) = Т_осн + Т_всп + Т_то + Т_оо,

где Т_осн – основное время,

Т_всп – вспомогательное время,

Т_то – время технического обслуживания рабочего места,

Т_оо – время организационного обслуживания рабочего места.

Технический принцип, т.е. условие достаточности наличия переходов в хромосоме для обработки всех поверхностей детали, можно реализовать, используя, к примеру, экспертную систему. При этом стоит отметить, что не только недостаток переходов ухудшает «здоровье» особи, но и лишние переходы также негативно сказываются на её коэффициенте приспособленности. Следовательно, принимаем, что наличие технологически верной последовательности операций положительно сказывается на «здоровье» особи, а иначе – отрицательно.

Т.е.

Fitness(h) = Fitness(h) * k,

где k — коэффициент влияния технологического критерия.

Вес коэффициентов будет определяться экспериментальным путём. Например, при наличии операции «Термическая» первой в ТП данной хромосомы определить, например, k = 0.5, но, при наличии в ТП данной хромосомы операции «Слесарная» непосредственно за «Сверлильная» присвоить k = 1.1. Проведение дальнейших опытов позволит выявить наиболее значимые технологические критерии для данной задачи и значения весовых коэффициентов для них.

Ключевые слова: технологические процессы; механообработка; математическое моделирование; генетические алгоритмы.