Автоматизация оперативного управления процессом квалиметрической оценки технологичности деталей машин при проектировании Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК658.5:681.5.015

А.Н. Иноземцев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-18-87, zem@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Д.И. Троицкий, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-18-87 (Россия, Тула, ТулГУ),

М.В. Креслинь, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-18-87 (Россия, Тула, ТулГУ)

АВТОМАТИЗАЦИЯ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КВАЛИМЕТРИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

Рассматривается вопрос обеспечения технологичности конструкции деталей машин на этапах проектирования по критерию трудоемкости изготовления с применением анализа их трехмерного представления. Показана методика автоматизации оперативного управления технологичностью, позволяющая снизить трудозатраты на обеспечение технологического качества проектных решений.

Ключевые слова: технологичность, трудоемкость, качество проектных решений, подготовка производства

В современных условиях способность предприятия обеспечивать конкурентоспособность выпускаемой продукции определяется действующей на нем системой организации и управления качеством. Машиностроительная деталь, как и любое изделие, предназначенное для удовлетворения определенных потребностей, обладает свойствами, образующими ее качество. Совокупность свойств машиностроительной детали, определяющих приспособленность ее конструкции к достижению оптимальных затрат ресурсов при производстве для заданных показателей качества, представляет собой технологичность изготовления детали.

Управление технологичностью изготовления детали - одна из важнейших функций подготовки производства, предусматривающая взаимосвязь решения конструкторских и технологических задач, направленных на повышение производительности труда, достижение оптимальных трудовых и материальных затрат и сокращение времени на производство.

Управление технологичностью изготовления детали осуществляется непосредственным воздействием на ее техническую сущность путем придания конструкции комплекса свойств, обеспечивающих ее технологическую рациональность и преемственность. Следствием этого воздействия является изменение трудоемкости, материалоемкости, энергоемкости и других возможных видов ресурсоемкости изделия.

Трудоемкость изготовления детали является базовым показателем технологичности, характеризующим достижение оптимальных трудовых затрат на изготовление детали. В условиях возрастающего дефицита ква-

лифицированных рабочих кадров, в частности, рабочих-станочников, управление технологичностью изготовления детали по критерию трудоемкости является актуальной задачей, так как создает доказательную базу для решений по планированию трудозатрат и трудовых ресурсов в производстве. Конструктор, проектируя деталь, вынужден постоянно выполнять ква-лиметрическую оценку ее технологичности по критерию трудоемкости изготовления. Однако достоверность такой оценки ограничивается, во-первых, неопределенностью технологического процесса изготовления детали, во-вторых, неопределенностями, обусловленными двумерным представлением ее конструкции в условиях проекционного проектирования.

В современных условиях наблюдается тенденция перехода к трехмерному моделированию. При этом значительно повышается творческий потенциал конструктора, так как ему предоставляется больший объем информации для анализа и принятия решения. Информация, содержащаяся в 3D-модели, в отличие от проекционного чертежа является полной и достоверной, а также позволяет получать разнообразные дополнительные сведения (площади и взаимное положение поверхностей, габаритные размеры, масса, объем и т. д.) Переход на 3D-моделирование требует нового подхода к управлению технологичностью и определению одного из ее основных показателей - трудоемкости на основе рассмотрения 3D-модели как источника информации и средства разрешения неопределенностей в проектных решениях.

В связи с вышеизложенным возникает задача совершенствования процесса управления технологичностью проектируемых деталей машин за счет использования преимуществ трехмерного геометрического моделирования в сочетании с экспертными возможностями современных САПР с целью повышения достоверности квалиметрической оценки трудоемкости изготовления деталей на ранних стадиях конструкторско-технологической подготовки производства.

Отличительной особенностью современного развития отечественного машиностроения является стремление повышать качество, а следовательно, и конкурентоспособность продукции. Рынок потребовал разработки и внедрения новых эффективных методов управления предприятием. Согласно концепции Всеобщего управления качеством (TQM) выпуск конкурентоспособной продукции невозможен без обеспечения качества на каждом этапе создания изделия. Это подтолкнуло предприятия, с одной стороны, к активному внедрению информационных технологий, а с другой

- к обособлению организационных структур предприятия, т. е. разделению всех этапов жизненного цикла продукции, в частности, к отделению этапа разработки изделия от этапа его производства.

Экономическая ситуация заставила предприятия выбирать оптимальные решения по управлению качеством на таких этапах жизненного цикла изделия, как планирование, разработка и изготовление. Проведен-

ный анализ жизненного цикла изделия позволил выявить основные задачи и цели управления качеством на отдельных стадиях цикла и показал важность обеспечения качества на каждом этапе, т. к. все несоответствия, внесенные в процессе подготовки производства и изготовления изделия, снижают качество конечной продукции. Чем раньше внесено несоответствие, тем труднее его выявить и тем больший суммарный ущерб оно нанесет, следовательно, необходимо обеспечить максимальное качество выполнения самых ранних этапов подготовки производства, в том числе этапа разработки конструкторской документации.

Для решения задачи повышения эффективности процедур КТПП было решено применить метод реинжиниринга бизнес-процесса (РБП), когда в качестве объекта реинжиниринга рассматривался процесс обеспечения технологичности конструкции изделия на стадиях разработки конструкторской документации.

На этапе обратного инжиниринга построена принципиальная модель бизнес-процессов при создании проекционных чертежей (рис. 1), позволившая выявить недостатки процесса, связанные с наличием разнообразных неопределенностей в конструкторской документации.

Корректировка

Проектное

Проектное

решение

Замысел конструктора решение Представление

замысла Контроль

(2 О-чертеж)

Г отовое проектное решение

ТЗ, нормы, справочные данные, детали-аналоги

Несоответствия

ІХ>І2+ЄГГ

Несоответствия

Позиции Осн.надпись

Изобр.стан.эл. Размеры

Линии Изобр.деталей

Штриховка Резьба

Посадки Допуски

Разрезы Виды

Рис. 1. Схема разработки конструкторской документации при использовании проекционных чертежей:

/1 - информация - замысел конструктора;

/2 - информация, содержащаяся на чертеже; егг - несоответствия

Наличие определенностей приводит к многократному внесению изменений в проектное решение, что значительно увеличивает сроки КТПП, а также к ухудшению качества конструкции. В ходе реинжиниринга построена новая модель процесса, основанная на использовании 3D-моделирования и средств информационной поддержки для управления технологичностью (рис. 2).

Рис. 2. Схема разработки конструкторской документации при использовании трехмерного моделирования:

/1 - информация - замысел конструктора;

/2 - информация, содержащаяся на чертеже; А/ - дополнительная информация, содержащаяся в 3Б-модели

Проведенный анализ неопределенностей, возникающих при проектировании двумерных чертежей, показывает, что большинство из них снимаются при трехмерном моделировании и последующем автоматическом получении чертежей по 3D-модели. Более того, многие виды неопределенностей (неверное взаимное расположение поверхностей, ошибки в построении видов, разрезов и сечений и пр.) при трехмерном моделировании становятся принципиально невозможными. Таким образом, 3D-модель фактически является средством разрешения неопределенностей. Но в большинстве современных САПР 3D-модель есть идеальное представление геометрии, не учитывающее технологическую информацию (шероховатость поверхностей, размерные и геометрические отклонения, базы и т. д.), поэтому данная информация по-прежнему представляется на проекционных чертежах вручную, что является источником несоответствий.

Интеграция технологических параметров и геометрической трехмерной модели позволит устранить подавляющее большинство несоответствий и неопределенностей, сократить сроки КТПП и повысить качество проектных решений. Разработана конструкторско-технологическая модель детали (КТМД), семантическая диаграмма которой представлена на рис. 3.

Процесс обеспечения технологичности рассмотрен как объект управления, у которого управляющими воздействиями являются вносимые конструктором изменения в проектное решение, а целью управления -достижение оптимального уровня технологичности в заданных условиях производства. Управляющие воздействия должны базироваться на накопленном опыте конструкторов и технологов по обеспечению технологичности. Поэтому необходима разработка методов накопления, формализации, хранения и поиска знаний в данной области как для применения в процес-

се управления технологичностью, так и для обучения и самообучения исполнителей этого процесса.

Материал

Марка

Бронзы

Латуни

Обраб-ость

Плохая

Удовлет.

Хорошая-

Деталь

Масса

КТЭ

Тип

Паз

Уступ

Отверстие

Фаска

Проточка

Шлицы"

К

Поверхность

Площадь

Вид

Цилиндр

Плоскость

соосность

параллел-ть

перпенд-ть

\

7

Геом. допуск

Шер-ть, Яа Квалитет

0,008-0,02 17-14

0,02-0,32 13, 12

0,32-2,3 11-9

2,3-10 8-3

10-80 4-2

Св. 80 1, 0, 01

Вид обраб.

Т очение

Фрезерование

Сверление

Шлифование

Метод обраб.

Черновая

Получист.

Чистовая

Рис. 3. Семантическая диаграмма трехмерной конструкторско-технологической модели детали

На стадии прямого инжиниринга были разработаны модели новой организации рассматриваемого процесса. Определены структура новой организации процесса обеспечения технологичности, состав его объектов, функций и событий. Получены диаграммы потоков данных (ДПД), показывающие информационные связи между объектами процесса в условиях применения средств информационной поддержки для оценки и управления технологичностью проектных решений.

Для проведения квалиметрической оценки технологичности проектируемой детали необходимо, прежде всего, определить один из ее важнейших параметров - трудоемкость изготовления. На этапе конструкторского проектирования наиболее подходящим способом определения трудоемкости является метод регрессионного анализа. Применение этого метода основано на получении математических зависимостей трудоемкости изготовления от различных параметров детали. В общем виде схема процесса определения оценки трудоемкости приведена на рис. 4.

С целью выявления параметров детали, оказывающих наибольшее влияние на трудоемкость, был применен метод экспертных оценок (в качестве экспертов выступали специалисты конструкторско-технологического профиля ряда промышленных предприятий г. Тулы), который показал, что наибольшее влияние на трудоемкость оказывают следующие параметры:

- сложность конструкции изделия (квалитет точности, шероховатость поверхностей, предельные отклонения размеров);

- размеры изделия;

- масса изделия;

- материал изделия.

Внесение изменений

КТМД , г 1

3D-модель Параметры Трудоемкость

детали обработки п \

Математическая модель расчета трудоемкости

техноло-

гичности

Конструктор

Экспериментальная

трудоемкость

о

и

о

ч:

§

§

а

с

Рис. 4. Общая структура процесса оценки трудоемкости

Таким образом, было установлено, что необходимо получить математическую зависимость трудоемкости от перечисленных параметров. Данные параметры содержатся в КТМД, представляющей собой описание детали, включающее в себя конструктивные (геометрические) и технологические параметры:

IКТМ = {МКТЭ, ЗАГ, ДЕТ}, где !ктм - конструкторско-технологическая модель детали; МКТЭ = {ОБР, V, ДПЭ} - множество описаний КТЭ и их параметров; ОБР = {д^, #2, . .,Чт} - множество вариантов обработки КТЭ; V = ^, D} -геометрическое описание КТЭ; W - подмножество поверхностей, образующих КТЭ; = W , , Р!}; S - подмножество типа поверхности;

Р - подмножество простейших геометрических объектов, образующих поверхность; D - подмножество размеров КТЭ; ДПЭ - множество дополнительных параметров КТЭ; ЗАГ = ^, М, ...,Т} - описание заготовки детали;

G = {м>1, м2, ...,мп} - геометрическое описание КТЭ; М- тип материала; Т - вид исходной заготовки; ДЕТ - дополнительное описание детали.

Для практического использования необходимо интегрировать КТМД с математической моделью определения трудоемкости.

Трудоемкость является многофакторной функцией, поэтому при ее расчете необходимо учитывать сразу несколько параметров. Для построения регрессионной математической модели необходимо определить коэффициенты уравнений регрессии, структура которых известна из литературы. Для этого был проведен ряд виртуальных экспериментов, в ходе которых в САМ-системе Delcam PowerMШ были смоделированы процессы обработки резанием различных конструктивных элементов деталей с непосредственным определением времени обработки каждого элемента. В ре-

зультате этих экспериментов были получены зависимости времени обработки от площади обрабатываемой поверхности, рабочей подачи и припуска на обработку.

Согласно методу регрессионного анализа корреляционную связь между трудоемкостью и входными параметрами модели можно представить в виде уравнения множественной регрессии

Т = F

Ґ п ^

м, I /(5,, Ra і, ^)

V і=1 у

где М - масса детали; Sj - площадь обрабатываемой ьй поверхности; Raj - требуемая шероховатость ьй поверхности; гг- - допуск (квалитет точности) ьй поверхности, kмат - коэффициент, учитывающий обрабатываемость материала.

После решения уравнения методом регрессионного анализа трудоемкость выражается как

К = а0Sxl • RaХ2 • г*3; (2)

т = ьму • кУ2, (3)

где а о, Ьо, *1, *2, *3, У\, У 2 - коэффициенты уравнения регрессии, подлежащие определению экспериментальным путем.

Для сопоставления КТЭ и соответствующего ему множества коэффициентов уравнения регрессии построена развернутая многоуровневая

схема, описывающая процедуру анализа трехмерной модели детали

(рис. 5). Уровни с шестого по десятый выполняются циклично для каждого КТЭ или элементарной поверхности детали.

По найденному технологическому коду КТЭ или поверхности, формируемому при прохождении уровней, выбирается соответствующее множество коэффициентов уравнения регрессии и выполняется расчет трудоемкости. Таким образом, основным отличием предлагаемой модели от существующих является применение уравнений регрессии не для детали в целом, а для ее отдельных конструктивных элементов. Это позволяет повысить точность модели без роста трудозатрат за счет применения интегрированной КТМД.

С целью информационной поддержки процесса управления технологичностью была разработана экспертная система (ЭС), содержащая базу знаний по оптимальным конструкторским проектным решениям. Система имеет два режима работы: режим экспертной системы и режим пополнения базы знаний. Для построения ЭС на основе данных литературы был разработан классификатор технологических признаков, имеющий древовидную структуру.

1 уровень

2 уровень -материал

3 уровень -марка

Деталь -и

Сталь Чугун ковкий 11 Чугун серый Бронза

Р1";

I Марка материала |

4 уровень - тип | заготовки I

Прокат Литье Штамповка

5 уровень -

дополнительная

обработка

Без термической обработки Без покрытия С термической обработкой

6 уровень - | Элементарные КТЭ

поверхность/ | поверхности

КТЭ

7 уровень - тип

8 уровень -квалитет

9 уровень -шероховатость поверхности

10 уровень -геометрический допуск

Сфера Плоско- сть Цили- ндр Конус

Паз Уступ Отверстие

| Н14 ... І І Н7 ... 1

Г П 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Н і і і і і і і і Л 1 1 1.

1 Rа 80 ... І I Ra 2.5 1 ... 1

// 1 ь 1

Технологический код

Х Х Х Х 1 Х Х Х Х

3D-модель

Масса

Размеры

Расчет

трудоемкости

База

регрессионных

уравнений

Уточнение

коэффициентов

Рекомендации

Производственные данные

Рис. 5. Развернутая структура системы определения технологичности

Признаки и их графические представления были объединены по группам и занесены в базу знаний, описывающую связи между признаками и допустимость того или иного проектного решения с точки зрения обеспечения технологичности конструкции. Выявлены взаимоисключающие признаки.

В ходе проектирования конструктор выбирает в дереве признаков те из них, которые соответствуют принятым или предлагаемым проектным решениям. Система оценивает совокупность признаков и отмечает среди них рекомендуемые и нерекомендуемые с точки зрения обеспечения технологичности конструкции.

В режиме пополнения базы знаний опытный конструктор или технолог может добавлять новые конструктивные решения, устанавливать их влияние на технологичность, заносить в систему их изображения, непосредственно используя файлы данных любой трехмерной САПР.

После создания проектного решения его необходимо оценить по критерию трудоемкости. Используя разработанные математическую модель оценки трудоемкости и конструктивно-технологическую модель детали, такой расчет можно провести в автоматизированном режиме. Для этого была создана автоматизированная система, выполняющая следующие функции:

- создание КТМД на базе 3D модели;

- проведение выборки необходимых исходных данных из КТМД;

- произведение расчета на основе регрессионной математической модели;

- проведение уточнения коэффициентов математической модели на основе реальных производственных данных (самообучение системы).

На основе функционального моделирования были разработаны структура автоматизированной системы расчета трудоемкости, схема интерфейса, а также ее даталогическая модель. Автоматизированная система расчета трудоемкости реализована как приложение для САПР Компас-3D. На рис. 6 представлены экраны системы расчета трудоемкости во время операции назначения параметров на поверхности детали и главное окно системы.

Для работы системы расчета трудоемкости необходимо наличие трехмерной модели детали. Конструктор назначает на обрабатываемые поверхности параметры шероховатости, квалитета точности и предполагаемый вид обработки (рис. 6, а). Затем автоматически рассчитываются значения трудоемкостей изготовления отдельных конструктивных элементов и всей детали в целом (рис. 6, б).

а

10..........'Оценка трудоёмкости изготовления детали“*““““

Расчёт трудоёмкости Себестоимость изделия Коэф. прим. униф. КЭ Трудовое нормирование Уровень технологичности

Загрузить деталь Назначить параметры Расчет поверхмэстей <

Зшл анир о в аннах труд о емкость

-

Общ«площадь поверхности. мм2

Расчетная трудоемкость, нормо-час

|?759.47930390542

118375,2619921056

^¿•«счет трутаегсгзэстк Объем срезаемого материала 16364,500 ммЗ Заготовка • диаметра 16 мм и длиной 10 ь*и 18375.300 ммЗ Материал Сталь 4СК ГОСТ 4543-71 Масса детали 143.786 г Общая площадь поверхности 7753,480 мм2

Помощь

Номер Пое-тЛ Вид 1Х*‘ТИ Плошаоь. мм2 | Ш ерохоеатость | | Кеалитет |

► 0 плоскость 162,5 Ял 2.2£ 10

1 I ЯПООХгСТк 2536,90 Я*2,5...К* 12

2 плоскость 705,56 Ял 2 2,5 10

3 плоскость 272.78 к* 2.2,5 10

4 плоскости и уступы 652,46 11*2.2*, 9

5 плоскости и уступы 652,46 11*2.2,5 9

б 162,5 Я* 1,25

г

б

Рис. 7. Диалоговые окна системы расчета трудоемкости: а - назначение параметров на поверхности детали; б - расчет трудоемкости

Разработанные методики и программное обеспечение управления технологичностью позволяют снизить трудозатраты на обеспечение технологического качества проектных решений, сократить сроки подготовки

производства, проводить формализацию и накопление опыта по управлению технологичностью конструкции, они также являются средствами для обучения и самообучения специалистов.

Список литературы

1. Технологичность конструкций: справочное пособие / под ред. С. Л. Ананьева М.: Машиностроение, 1969.

2. Балабанов А. Н. Технологичность конструкций машин. М.: Машиностроение, 1987.

3. Войчинский А. Н., Янсон Э. Ж. Технологичность изделий в приборостроении. Л.,: 1988.

4. Тельнов Ю. Ф. Реинжиниринг бизнес-процессов. Компонентная методология. М.: Финансы и статистика, 2004. 320 с.

A. N. Inozemtsev, D. I. Troitsky, M. V. Kreslin

AUTOMATED REAL-TIME QUALIMETRIC PART MANUFACTURABILITY ASSESSMENT PROCESS CONTROL IN THE DESIGN FOR MANUFACTURABILITY APPROACH

The design for manufacturability and for minimum labor coefficient process based on 3D part modeling has been investigated. A strategy of automated real-time manufacturability control which saves efforts for assuring the manufacturing quality of design decisions, shortens production planning times is shown.

Key words: manufacturability, labor coefficient, design decision quality, production planning.

Получено 13.01.12

УДК 658.562

А.Б. Орлов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-18-87, chehonn@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ

Рассмотрены возможные направления, уровни и перспективы создания автоматизированных систем управления качеством на предприятиях и в организациях. Показана возможность организации связи системы управления качеством и электронной информационной модели изделия на основе использования PDM-систем и метаданных в документации.

Ключевые слова: автоматизация, управление качеством, метаданные.

В настоящее время практически любое современное предприятие или организация формирует у себя систему управления качеством, в той или иной степени реализующую принципы всеобщего управления качест-

428