Vývoj konštrukcií pracovných strojov s využitím princípov znalostného inžinierstva

História KBE

KBE sa môže javiť ako prevratná zmena v prístupe ku konštruovaniu, v skutočnosti je KBE výsledkom spojenia výpočtovej techniky a náuky o konštruovaní. Počiatky systematického štúdia konštruovania možno nájsť na konci 19. storočia v Nemecku. Ďalší rozvoj konštrukčnej náuky nastal po skončení 2. sv. vojny, ako dôsledok rôznych vplyvov na zvýšenie kvality výrobkov [1]. Výsledkom bola formalizácia a zovšeobecnenie konštrukčného procesu a konštrukčných metód a čoraz väčší dôraz na uchovanie a využitie znalostí počas celého životného cyklu výrobku.

Počítače sa spočiatku pri návrhu uplatnili pri výpočtoch, s optimistickým rozvojom informatiky a umelej inteligencie za využitia vysokoúrovňových programovacích jazykov. V 70. rokoch 20. storočia sa objavili prvé expertné systémy. Tieto expertné systémy boli úzko zamerané na špecifické oblasti. V rovnakom čase sa začali presadzovať CAD (Computer-AidedDesign) a CAE (Computer-AidedEngineering) programy, ktoré sa na rozdiel od expertných systémov úspešne uplatnili. Neskôr, v 80. rokoch sa vďaka zvyšujúcemu sa výkonu počítačov vyvinuli prvé KBE aplikácie pre najprogresívnejšie odvetvia a v súčasnosti sú nástroje pre KBE integrované aj v niektorýchCAD systémoch [2].

Konštrukčný proces

Konštrukčný proces je hľadanie stavebnej štruktúry (tvaru, rozmerov a materiálov súčiastok), ktorá bude nositeľom požadovaných vlastností, pričom sa vychádza zo zadaných požiadaviek a výstupom je podrobný opis výrobu. Je to iteratívny proces, pretože medzi jednotlivými prvkami stavebnej štruktúry je mnoho vzťahov, pričom niektoré sú neurčité [3]. Na základe postupnej konkretizácie sa postupuje od zadania cez predbežné návrhy až po finálny detailný opis výrobku.

Cie<ľom konštruovania je navrhnúť optimálny výrobok v čo najkratšom čase a s minimálnymi nákladmi [3]. Samotný konštrukčný proces je premena vstupných informácií (zadania) na presný opis technického systému (výkresy, CAD model). Okrem poznatkov o výrobku a konštrukčných postupoch (v dnešnej dobe často interdisciplinárnych) a ich správnom využívania sa kladie čoraz väčší dôraz aj na efektivitu konštrukčných prác.

Využitie počítačov a najmä KBE v konštruovaní je podmienené vytvorením vhodnej konštrukčnej metodológie. Jednou z vlastností konštrukčného procesu je objektová neutrálnosť, takže existuje všeobecný model konštrukčného procesu, ktorý možno aplikovať na rôzne druhy výrobkov, pričom danému výrobku sa prispôsobujú jednotlivé čiastkové úlohy. Ďalšou dôležitou charakteristikou je možnosť celý proces rozdeliť na čiastkové úlohy, ktoré možno iteratívne opakovať, a tak dospieť k uspokojivému požadovanému riešeniu. V modernom pojatí, najmä pri väčších projektoch, nie je možné konštruovanie výrobku oddeliť od návrhu a plánovania jeho výroby.

Časti konštrukčného procesu

Konštrukčný proces možno rozdeliť na 4 hlavné etapy: stanovenie úlohy, koncipovanie, navrhovanie a detailovanie [3]. V prípade pracovných strojov možno uplatniť podrobnejšie členenie konštrukčných prác [4]:

• stanovenie projektovej úlohy,
• spresnenie cieľa, špecifikácia úlohy,
• vytvorenie radu variantov koncepcie principiálnej schémy,
• výber najracionálnejších variantov,
• približné výpočty, ekonomické hodnotenie vybraných variantov,
• výber variantu pre detailné rozpracovanie a určenie jeho parametrov,
• podrobný výpočet a konštrukcia vybraného variantu,
• výber a zachytenie údajov plne určujúcich vyprojektovaný objekt,
• úprava, schválenie a odovzdanie projektu.

Priebeh jednotlivých čiastkových etáp v procese konštruovania sa so zavádzaním a rozširovaním využitia výpočtovej techniky menil. Tradičný postup v procese konštruovania je sekvenčný, teda nasledujúca fáza začína, až keď je predošlá ukončená.

V súčasnosti využívaným postupom je konkurentné, alebo paralelné konštruovanie. V tomto procese sa niektoré fázy môžu časovo prekrývať, čo vedie k zníženiu času potrebného na uvedenie výrobku na trh. To je zabezpečené rozšíreným využívaním digitálneho modelu výrobku (DMU – Digital Mock-Up), ktorý uľahčuje vykonávanie zmien a úprav. Istým nedostatkom v praxi je stále nedostatočné využitie dostupných PLM nástrojov, čo má za následok stále pomerne oddelené fázy vývoja výrobku a fázy návrhu výroby. Tzv. kolaboratívne konštruovanie je taký postup pri vývoji výrobku, keď sa súčasne a previazane pracuje na produkte aj jeho výrobe [5]. Úlohou je vytvoriť virtuálne výrobné prostredie, ktoré simuluje reálnu výrobu a montáž. Hlavným zameraním sú požiadavky zákazníka, teda zvýšenie pružnosti výrobného podniku na požiadavky zákazníka. Kolaboratívne konštruovanie má vysoké nároky na znalosti o možnostiach výroby, jednotnosť programového vybavenia a výmenu informácií medzi spolupracujúcimi partnermi. Poskytuje jednotnú reprezentáciu výrobku počas návrhu a výroby a ďalej uľahčuje využitie PLM (Product Lifecycle Management) nástrojov počas celého životného cyklu výrobku, najmä v jeho neskorších fázach (opravy počas prevádzky). Moderné prístupy (paralelné konštruovanie) si vyžadujú podrobnejšie informácie o výrobku v už najskorších fázach konštruovania. Ak sú už pri koncipovaní známe možnosti navrhovanej koncepcie, možno lepšie predpokladať konečné vlastnosti výrobku a to môže prispieť k rýchlejšiemu alebo menej nákladnému vývoju.

Pracovné zariadenie rýpadla [9]

Nástroje pre KBE

V konštrukčnej praxi sa dnes v pomerne veľkom rozsahu uplatňuje výpočtová technika. Jedná sa prevažne o CAD programy, ktoré slúžia na tvorbu geometrického modelu a CAE nástroje určené na analýzu a výpočty. CAD/CAE nástroje sú užitočné pri tvorbe stále presnejších počítačových modelov, avšak spôsob ich použitia je v postate rovnaký od ich vzniku v 70. rokoch minulého storočia. Pri konštruovaní je stále človek tým najdôležitejším prvkom, nakoľko je to odborník, kto má vedomosti o výrobku, o konštrukčnom procese a svojich nástrojoch. Konštruktér má priamu kontrolu nad výsledkom a práca prebieha interaktívne, teda konštruktér hneď vidí zmenu, ktorú vykonal.

Medzi moderné konštrukčné prístupy patrí KBE (Knowledge-Based Engineering, znalostné inžinierstvo). To je založené na získavaní, formalizácií a opätovného použitia znalostí v podniku na uľahčenie opakujúcej sa práce pri návrhu výrobku. Aj keď sa prvé snahy o uplatnenie tohto prístupu objavili v 80. rokoch, dodnes sa používajú veľmi obmedzene a v špecifických oblastiach. A to aj napriek tomu, že môžu priniesť veľmi výrazné skrátenie konštrukčných prác. Príčinami takto pomalého nástupu aj napriek zjavným výhodám môžu byť okrem iného veľmi vysoká náročnosť tvorby a využívania dostatočne všeobecného systému, alebo zmena spôsobu práce a dôraz na abstraktné myslenie a programovanie.

Základný prvok v KBE je tzv. produktový model. Produktový model predstavuje generický (všeobecný) model, ktorý slúži na uchovávanie, výmenu a transformáciu informácií o výrobku, pričom okrem definície výrobku (geometrický CAD model) obsahuje aj znalosti o postupoch použitých pri jeho návrhu, analýze a výrobe, prípadne prečo daný výrobok vznikol (plánovanie produktového radu a veľkostných tried). Znalosti sú uložené v databáze, pričom ich uplatnenie je riadené umelou inteligenciou alebo rozhodovacími algoritmami. Znalosti možno získať troma spôsobmi: komunikáciou s expertom v danej oblasti, expert vytvorí KBS, alebo pomocou automatického strojového učenia [6].

V súčasnosti má KBE niekoľko nedostatkov, ktoré bránia jeho širokému uplatneniu v praxi: úzke zameranie KBE aplikácií pre konkrétny prípad; nedostatočná prehľadnosť (fungujú ako čierna skrinka); nedostatok ďalšieho využitia získaných znalostí; vynechanie kvantitatívneho zhodnotenia nákladov a výhod pri využití KBE; a chýbajúce nástroje na zhodnotenie vývoja KBE aplikácií [7].

Konštrukcia výložníkov rýpadiel

KBE nástroje sa môžu uplatniť aj pri návrhu mobilných pracovných strojov a ich častí, napr. výložníkov rýpadiel. Všetky rýpadlá majú rovnakú základnú modulárnu stavbu, ktorá pozostáva z podvozku, otočnej nadstavby a pracovného zariadenia. Aj keď sa stroje každého druhu členia na viacero veľkostných alebo výkonových skupín, možno na nosnú konštrukciu väčšiny strojov uplatniť rovnaké princípy pri ich návrhu, a teda možno využiť KBE. Všetky bežne používané stroje musia mať nosnú konštrukciu, ktorá je schopná prenášať prevádzkové zaťaženia, odolávať vplyvom okolitého prostredia počas životnosti stroja a musí byť ekonomicky vyrobiteľná. Obyčajne sa pri návrhu podvozku a pracovného zariadenia hydraulických rýpadiel využíva oceľová zváraná konštrukcia, ktorá spĺňa všetky požiadavky.

Konštrukcia celistvého lomeného výložníka rýpadla [9]

Pracovné zariadenie rýpadiel pozostáva z výložníka, násady a pracovného nástroja. Najčastejšie využívané pracovné nástroje sú lyžice, drapáky, rozrušovacie kladivá alebo búracie kliešte. Jednotlivé časti pracovného zariadenia sú ovládané pomocou lineárnych hydraulických motorov.

Výložník rýpadiel môže byť celistvý (lomený alebo priamy), delený alebo teleskopický. V praxi sa najviac uplatňuje celistvý lomený výložník, ktorý umožňuje pri rýpaní dosiahnuť väčšiu hĺbku a v porovnaní s dvojdielnym výložníkom má ľahšiu a lacnejšiu konštrukciu [8]. Špeciálnym druhom viacdielneho výložníka je tzv. kyvný výložník, ktorý umožňuje vychýlenie pracovného nástroja v priečnom smere vzhľadom na otočnú nadstavbu (napr. pri výkope pozdĺž steny budovy). Pre rýpadlá na búracie práce sa vyrábajú predĺžené výložníky s veľkým výškovým dosahom. Tieto výložníky sú predĺžené pomocou vsadených medzikusov. Násada rýpadiel je najčastejšie jednodielna, ale konštruujú sa aj násady teleskopické a otočné.

Na výložník a násadu rýpadla sú okrem nevyhnutných požiadaviek dostatočnej pevnosti a tuhosti v ohybe a krútení kladené aj iné nároky. Snahou je dosiahnuť čo najnižšiu hmotnosť výložníka, nakoľko výložník prispieva k preklápaciemu momentu. Pretože výložník je súčasťou pracovného zariadenia, minimalizácia jeho hmotnosti prispieva k zníženiu energetických nárokov stroja a dĺžky pracovného cyklu. Ďalšou požiadavkouje dostatočná životnosť (7 rokov, 10000 až 15000 hodín [8]), ktorá sa stanovuje prostredníctvom viac alebo menej zložitých výpočtových metód, ktoré majú avšak isté obmedzenia. Správne uplatnenie týchto metód pri návrhu uľahčuje použitie KBE s uloženými znalosťami o týchto obmedzeniach a ich kontrole. V neposlednom rade je dôležité zabezpečiť ekonomickosť výroby. Pre úspešné vytvorenie vhodného výrobku konštruktérovi nestačí poznať len prvky stavebnej štruktúry a ich usporiadanie, ale dôležité sú aj znalosti vhodných obecných postupov a konštrukčných metodík, ich možností uplatnenia, výhod a nevýhod. Príkladom týchto pravidiel je dodržiavanie minimálnej vzdialenosti priečnych zvarov horného, spodného a bočných plechov výložníka, aby nedošlo k prekrytiu zváraním ovplyvnených oblastí, a ak sú steny výložníka vytvorené z viacerých plechov rôznych hrúbok, musí sa konštruktér vyhnúť skokovej zmene hrúbky plechov. Na Ústave dopravnej techniky a konštruovania Strojníckej fakulty STU v Bratislave sa v rámci výskumnej činnosti a spolupráce s praxou vyvíjajú KBE nástroje pre rôzne oblasti vrátane mobilných pracovných strojov.

Literatúra

[1] MEDVECKÝ, Š. et al. Konštruovanie I. Žilina: Žilinská univerzita v Žiline, 2007. ISBN 978-80-8070-640-1.

[2] ROCCA, G. LA Knowledge based engineering: Between AI and CAD. Review of a language based technology to support engineering design. In Advanced engineering informatics. 2012. Vol. 26, no. 2, s. 159–179.

[3] HUBKA, V. Konstrukční nauka. Praha: Konservis, 1991. ISBN 80-901135-0-8.

[4] GULAN, L. - MAZURKIEVIČ, I. Mobilné pracovné stroje: Teória a metódy projetovania. Bratislava: Slovenská technická univerzita v Bratislave, 2009. ISBN 978-80-227-3026-6.

[5] MAS, F. et al. Collaborative Engineering: An Airbus Case Study. In Procedia Engineering. 2013. Vol. 63, no. 0, s. 336–345.

[6] HOPGOOD, A.A. Intelligent systems for engineers and scientists. [s.l.]: CRC press, 2001. ISBN 0-8493-0456-3.

[7] VERHAGEN, W.J.C. et al. A critical review of Knowledge-Based Engineering: An identification of research challenges. In Advanced Engineering Informatics. 2012. Vol. 26, no. 1, s. 5–15.

[8] KUNZE, G. et al. Baumaschinen: Erdbau-und Tagebaumaschinen. [s.l.] : Vieweg+ teubner Verlag, 2002. ISBN 3-528-06628-8.

[9] YENER, M. Design of a Computer Interface for Automatic Finite Element Analysis of an Excavator Boom. [s.l.] : The Graduate School of Natural and Applied Sciences of Middle East Technical University, 2005.