О концептуальной модели качественного состава системы информации о детали Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.058.013.8 А. Ф. ШИРЯЛКИН

О КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ КАЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА СИСТЕМЫ ИНФОРМАЦИИ О ДЕТАЛИ

В рамках создания автоматизированной системы технического проектирования и планирования производства. Рассмотрены методы системно-информационного моделирования производственных процессов.

Ключевые слова: концептуальная модель, управление, моделирование систем технического проектирования и планирования производства, систематизация, классификация, принцип технологической геометризации.

Анализ нарастающей мировой тенденции интеграции больших автоматизированных систем технического проектирования и управления производством показывает на наличие различных системных нестыковок в этом процессе [1-3]. Последние часто вытекают из различия исходных концепций построения составляющих систем. Учитывая, что в области машиностроения основу производственно-технической информации составляет информация о детали, целесообразно концептуальное формирование систем начинать с её системно-информационного моделирования [4]. В рамках указанной работы проведён анализ, на основе которого выявлены уровни и синтезирована обобщённая количественная модель многоуровневой классификационной системы (КС) информации о детали. При её построении был выделен и сформулирован принцип, который впоследствии назван принципом технологической геометризации (ТТТГ) [4].

В дальнейшем исходили из результатов анализа стабильности каждого из видов признаков детали в среде, в которой изначально зарождается её форма, т. е. в машиностроительном производстве. Заметим, что требуемую стабильность эти признаки получают в процессе развития информации о детали и её закрепления в процессе производства при документировании.

Рассмотрим изменение этих признаков в ходе материализации детали, т. е. при её техногенезе и техноэволюции [5], которые реализуют этот процесс в производственной среде. Очевидно, что этот процесс как системное образование включает 2 аспекта: человеческий и машинный,

© А. Ф. Ширялкин, 2009

что в первую очередь затрагивает структуры человеческого мышления, участвующие в процессе исследования [6].

Заметим, что классическая научная парадигма исследования всегда имела аналитический характер [7]. Анализ (analisiss - разложение) стал синонимом научного исследования вообще. Он начинается с различения, сопоставления, противопоставления. Число элементов в отдельном акте может быть различным. Простейший, поэтому самый применимый вариант - дихтомия, т. е. расщепление на две части: лево - право, верх - низ, хорошо - плохо, тепло - холодно. Так проявляются бинарные оппозиции, диады. Данный способ стал доминирующим, повсеместным. Однако следование этим путём расщепления ведёт к возрастающей дифференциации, а для создания новой системы надо собирать, объединять, синтезировать. Но бинарная схема для этого не годится, требуются иные структуры. Кроме того, полностью описать всю многомерную систему, каковым является машиностроительное предприятие, если перебрать всё характерные диады, все равно невозможно. Покажем это на примерах:

Рассмотрим функцию двух переменных f(x, у). Пусть известно её поведение в сечениях х = I и у = 1:

Л],У) = У> Ах> !)=*■

Легко видеть, что этим примерам удовлетворяет много функций:

fix, у) = х; f(x, у) = 2ху -х-у + 1 и др.

Однако, если предположить, что

f(x, У) = g(x) h(y>),

то знание/в сечениях х = const и у = const достаточно для нахождения всей функции. Это дополнительное предположение о факторизации

означает отсутствие корреляции между сечениями.

Указанный выше пример, как и другие, рассмотренные в работе [7], показывают недостаточность бинарной структуры для проведения синтеза. Такой структурой может быть системная триада, придающая исследованию объекта определённую целостность, под которой понимается внутреннее единство объекта, его относительная самостоятельность. Поэтому целостность производства, определяет единство двух аспектов его деятельности: машинного и человеческого, сознательно управляющего машинным.

Последовательности отбора информации о детали как процесса мышления участников производства. Каждый этап технической подготовки производства (ТеГШ) характеризуется определенными формами мышления исполнителя, выраженными в характере переработки необходимой информации. Классификационная система информации о детали должна наиболее адекватным образом отражать характер этого производства, синтезируясь из основных элементов производственного процесса. Простейшей структурой синтеза оказывается системная триада, объединяющая в себе известные виды человеческого мышления: рациональное, эмоциональное и интуитивное [7] (рис. 1).

Интуитивное

Рациональное

Эмоциональное

Рис. 1. Системная триада синтеза человеческого мышления

Заметим, что альтернативой системной триадой, отображающий эволюционной процесс отбора в биологических и технетических системах, является наследственность - изменчивость - отбор.

Такое исследование позволяет показать динамику развития производственной информации о детали в процессе эволюционного отбора, выявить особенности этого развития на каждом его этапе, а также выделить некоторые общие закономерности. Одной из основных задач при этом является вычленение рациональных форм мышления, которые и образуют классификационные признаки, наиболее пригодные для автоматизации ТеПП.

Очевидно, что формирование информации о детали с самого начала связано с процессом мышления конструктора и на начальном этапе технической подготовки представляет некоторую идею, архетип, возникающий из эскизного проекта конструируемого изделия. Эта форма, представляющая наследственную информацию эскизного сборочного чертежа, например, в виде имеющегося в нём значения допуска или посадки, предваряет конкретное конструктивно-геометрическое воплощение определённой экс-плутационной функции детали, необходимой для её работы в составе проектируемого изделия. Таким образом, проявляется участие математически абстрактного, рационального вида мышления.

Для получения общего визуального представления о контуре детали конструктору нужно творчески комбинировать различными элементами геометрических форм: плоскостями, окружностями, конусами и др. Эти элементы достаточно многообразны, поэтому конструктор при разработке формы имеет определённую свободу их выбора, который зависит от его опыта. В свою очередь опыт формируется на основе индивидуальной для конкретного исполнителя интеллектуально-чувственной составляющей. Л это вносит в конструкцию детали определённый элемент эмоциональности. Тогда конструкция детали как замыкающий элемент триады будет воплощать интуитивную соразмерность первых двух типов мышления конкретного исполнителя.

Таким образом, этап конструкторской подготовки производства конкретной детали можно охарактеризовать следующей системной триадой (рис. 2):

Конструкция

Функциональность

Геометрия

Рис. 2. Системная триада синтеза конструкции

детали

Заметим также, что этот этап ТеПП заканчивается возникновением ряда документов, главный из которых - чертёж детали. Указанная фигура (см. рис. 2) располагается на плоскости, поэтому можно говорить о её двухмерности. Однако характеристика данного этапа была бы неполной, если не подчеркнуть важный в

методологическом плане момент: опытный конструктор при проектировании детали обязательно анализирует её конструкцию на предмет технологичности изготовления. Чем опытней конструктор, тем сильнее петля обратной связи конструкция - технология - конструкция. Подобные связи технология образует и с двумя остальными компонентами: геометрией и функциональностью. Таким образом, системная триада, как образ мышления, переходит на более высокий, трёхмерный (объёмный) уровень - тетраэдр, который можно рассматривать как некоторую совокупность 4-х триад (рис. 3).

Конструкция

Рис. 3. Системная модель конструкторской

подготовки

Заметим, что согласованная привязка 4-го фактора многократно затрудняет мыслительный процесс, т. е. реализация качественного объемного мышления намного более сложна, чем мышления «плоско-системного» и доступна немногим специалистам. Поэтому разделим ее на отдельные триады и выберем наиболее существенную для эволюционного отбора, на пути к технологии изготовления (рис. 4).

Технология

Рис. 4. Системная модель технологической подготовки с выделением стадии проработки

на технологичность

Обратим внимание, что данная модель получена из предыдущей поворотом тетраэдра вокруг одного из рёбер. Данная модель отражает характер начальной стадии ТПП - проработку изделия

на технологичность. На этой стадии основной упор процесса мышления делается на технологию изготовления и конструкцию детали, а функциональность практически не просматривается, т. е. этот признак для ТПП малосущественен. Таким образом, можно выделить переднюю грань системы в отдельную триаду. Системная модель стадии проработки на технологичность представлена на рис.5.

Конструкция

Рис. 5. Системная модель стадии проработки

на технологичность

После получения рабочего чертежа детали, приступают к технологической подготовке её производства. Технология, несмотря на достаточное количество приёмов и методов, существенно приземляет полёт конструкторской мысли, накладывая ограничения по возможности и целесообразности изготовления. Такими ограничением является технико-технологическая информация технологической системы (ТС) конкретного производства: оборудование, приспособление, инструмент и определённых профессиональных приёмов, которые исполнитель (технолог) накладывает на определённый конструктором и закреплённый в чертеже информационный .образ детали.

Таким образом, для детали на этом этапе будет иметь место триада (рис. 6).

Технология

подготовка

Рис. 6. Системная модель технологической

подготовки

Системное исследование элементов ТС в реальном масштабе времени, требующее многомерности мышления, сильно затруднено из-за их множественности критериев оценки. Отсюда видно, что комплекс технологических признаков более сложен, чем комплекс конструктивных, отчего проектирование ТП - задача намного более динамичная и многовариантная, чем конструирование. Главный документ, являющийся результатом отработки данного этапа ТеПП, -технологический процесс изготовления детали.

Вместе с тем качество технологии, как результат совмещения двух остальных элементов триады, будет зависеть не только от качества субъективного мышления исполнителя, но и от реального наличия и разнообразия технологических факторов в конкретном производстве, т. е. от организационного аспекта ТеПП.

Под организацией производства понимается координация и оптимизация во времени и в пространстве всех материальных и трудовых элементов производства для получения максимальной эффективности. Организационные принципы и методы распространяются на все уровни и этапы производственного процесса, т. е. организация является более широким понятием, чем технология.

Системная триада для данного уровня производства показана на рис. 7.

Изготовление

Рис. 7. Системная триада синтеза информации о детали на последних стадиях технической

подготовки

#

Таким образом, при исследовании основных компонентов производства на стадии ТеПП (см. рис. 2-7) в процессе построения видно, что технология как элемент производственного процесса задействована на всех этапах техноэволюции детали, являясь его центральным звеном. Структурная часть технологии, её маршрут, связывая воедино все остальные элементы производства максимально короткими связями, является ос-

новным ключом, системой каналов для перехода элементов всего производственного процесса в упорядоченную структуру его КС, которая должна включать самые существенные признаки детали.

Технологическая информация о детали, исходя из общих понятий указанных признаков, развиваясь посредством информационного отбора, уточняется, утверждается и документируется. По мере приближения информации о деталях к готовой документации приобретает устойчивость и КС в целом.

Принцип приоритетности применения большего размера

Заметим что технологические признаки бывают различных видов и требуют различных уровней представления. Выведем общие закономерности информационного отбора признаков на разных уровнях. В работе [4] отмечена рациональность использования «чисто» технологических признаков только на последних уровнях системы (фазах ТеПП). Такие признаки, как вид заготовки, модель оборудования, вид приспособления, вид инструмента нецелесообразно использовать в качестве ИД, что сделано в ряде систем [6], а следует получать автоматически, в результате решения задач на соответствующих уровнях системы. Следует учесть, что технология обработки детали влияет и на такие признаки: размеры детали, материал заготовки, точность и шероховатость детали, массу детали, которые не являются «чисто» технологическим, но традиционно таковыми считаются.

Остановим внимание на информации о размере. Этот признак может иметь для производства значение и организационное, и технологическое, и конструктивное. При этом влияние этого признака на соответствующую компоненту' производственного процесса зависит от конкретной величины. Например, размерная информация о габаритах детали (изделия) чаще имеет организационное значение, необходимое при проектировании производственных подразделений, т. е. определяет габариты цехов, складов и т. д. Технологическое значение признака размера задействовано, например, при распределении деталей по видам оборудования. Конструктивное влияние размерных величин проявляется при проектировании оснастки и инструмента, так как их конфигурация во многом зависит от величины конкретных размеров конструктивных элементов детали.

Заметим, что каждый из указанных аспектов может рассматриваться при изготовлении кои-кретной детали как последовательное развитие событий во времени, т. к. для получения

оптимизированного, минимального цикла обработки необходимо сначала спроектировать и построить цех, затем подобрать оборудование, а уж потом приспособление и инструмент. Следовательно, техноэволюция производственного процесса последовательно вычленяет сначала большие размерные признаки, затем всё более мелкие. Интерполируя сказанное выше, представляется рациональным обрабатывать деталь, начиная с КТЭ больших размеров. Таким образом, можно постулировать универсальный принцип приоритетности применения большего размера (.ПБР% сущность которого заключается в наибольшей вероятности выбора системой в процессе проходящего отбора размера большего значения. Этот принцип имеет решающее значение при постановке задач автоматизированного проектирования технологии обработки детали.

При классификации происходит закрепление рассматриваемого размера как состояния производственного пространства в некотором, заранее заданном интервале. Процесс проектирования технологии изготовления деталей в конкретном цехе при этом вычленяет некоторую часть этого процесса в виде конкретной схемы. Например, если возьмём интервал габаритных размеров -длины и диаметра детали (Ь < 100 мм, О < 60 мм), то тем самым выделяется технологическое пространство для обработки мелких деталей со всеми присущими данному виду ТП атрибутами: определёнными типоразмерами оборудования, инструмента и т. п. При этом в первую очередь выделяется определённая часть номенклатуры деталей, соответствующая данному интервалу. Поэтому следует говорить о необходимости рассмотрения организационных признаков, т. е. вводя в качестве такового признак «годовая программа», можно говорить об организации некоторых производственных подразделений (например цеха). Таким образом, при задании некоторого интервала габаритов выделяется определённая часть цеховой территории, соответствующая указанному интервалу.

Приведём другой пример - таблицу допусков и посадок, в которой точность, а значит, и качество обработки деталей даны в зависимости от интервала размеров. Разница только в величине интервала, чем меньше допуск, тем труднее он достижим, тем выше качество детали определяемой данным размером. Таким образом, следует констатировать, что значимость, а значит, и эффективность размерного интервала обратно пропорциональна его величине.

Построение качественной модели классификации. В результате исследования приходим к выводу, что в основу исходной структуры ин-

формации о детали, с точки зрения стабильности её функционирования, следует заложить геометрические, конструкторские, технологические и некоторые организационные признаки. При этом первичными признаками, положенными в основание модели и определяющими стабильность системы в целом, являются геометрические признаки. Технологические признаки, соединяющие остальные виды признаков максимально короткими связями, составляют её сердцевину. «Чисто» технологические признаки, с точки зрения их стабильности, рационально применять на конечных уровнях формирования системы. Однако более корректно получать их автоматизировано, в виде результата решения технологических задач.

К концу процесса ТТП информация о детали приобретает чёткость, выраженную максимальным значением её функциональной, потребительской ценности для конкретной особи - детали. С этого момента начинается процесс её материализации. Таким образом, качественную модель системы ТеПП можно представить в виде многомерной структуры (рис. 8).

Момент полной подготовки информации о детали для её изготовления

Геометрия

Конструкция

Рис. 8. Укрупненная качественная информационная модель ТеПП

Таким образом, проведённое исследование наряду с определением общих требований к структуре КС даёт оптимизированный подход к её более детальной разработке в рамках научной теории, а впоследствии также позволяет выделить методы её чёткого практического построения для условий конкретного производства.

Нелишне заметить, что данная модель одновременно является и моделью КС информации о детали. Заметим также, что первой и основной связью этой модели является связь технологических и геометрических признаков, что некоторым образом реализует и утверждает действие принципа Г1ТГ.

В целом отметим, что альтернативную сторону системного исследования машиностроительного производства составляет изучение процесса человеческого мышления специалиста - участника производства в производственной среде при осуществлении технической подготовки. Предпринята попытка исследования этого процесса методом синтеза, с помощью системной триады, посредством чего получена некоторая качественная модель КС. В ходе исследования выявлены также новый принцип информационного отбора: принцип приоритетности применения большего размера (ПБР).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гамсалес-Сабаттер, А. Интеграция CAD/CAM в CALS технологии / А. Гансалес-Сабаттер // Машиностроитель. - 2003. -№11.

2. Miller, Е., MacKrell J. Интеграция PLM-и ERP-систем. CAD/CAM/CAE observter. -2006. - №1.

3. Ширялкин, А. Ф. Об оптимизации структуры данных PLM - и ERP - систем за счет унификации КТЭ деталей машин / А. Ф. Ширялкин С. А. Кобелев // Вестник УлГТУ. -2006.-№.4.

4. Ширялкин, А. Ф. К вопросу разработки концептуальных моделей автоматизированных систем технической подготовки и управления производством // Вестник УлГТУ. - 2008. - №2.

5. Кудрин, Б. И. Три доклада строенной конференции / Б. И.Кудрин. - М. : Электрика, 2002.

6. Ширялкин, А. Ф. Формирование естественных классификаций деталей машин для применения в системах автоматизированного проектирования и управления / А. Ф. Ширялкин. -Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет, 2004.

7. Баранцев, Р. Г. Системная триада - структурная ячейка синтеза // Системные исследования. Методологические проблемы: Ежегодник.

- М., 1989.

Ширялкин Александр Фёдорович, кандидат технических наук, кафедра «Управление качеством» УлГТУ. Область научных интересов - стандартизация, систематизация, классификация.

г

s