CC BY
8Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск №74 www.mai.ru/science/trudy/_
УДК 658.512; 004.942
Практическое применение «Системы анализа технологичности» при проведении технологического контроля изделия авиационной техники Говорков А.С.*, Жиляев А.С**.
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический
университет, НИ ИрГТУ, ул. Лермонтова, 83, Иркутск, 664074, Россия
* e-mail: govorkov_as@istu.edu
**
e-mail: anton-z-s@ya.ru
Аннотация
Исследование относится к области автоматизации технологической подготовки производства при проведении технологического контроля изделия. Предложен алгоритм формирования информационного образа проектируемого изделия на основе CAD модели изделия, выполненного в системе NX. Описана общая функциональная структура разработанной Системы, необходимая для проведения технологического контроля на основе технологических рекомендаций, структурированных в базе знаний. Описание объектов производственной среды и их взаимосвязи реализованы в модуле база данных.
Ключевые слова: образ изделия, технологический контроль, технологический процесс, база знаний, база данных.
Автоматизированная система анализа ТКИ является обратной связью от технологических модулей к конструкторским, т.е. дает возможность проектировщику обнаруживать нетехнологические сочетания конструктивных форм в детали и изменять её конструкцию в соответствии с технологическими
рекомендациями в диалоговом режиме, а технологу - представлять рекомендации, направленные на обеспечение ТКИ, в формализованном виде.
Применение системы анализа ТКИ на ранних этапах проектирования изделий машиностроения позволяет преобразовывать модели изделий в условиях изменяющегося словаря технологического представления при значительном постоянстве словаря конструкторского представления. Словарь конструкторского представления изменяется во времени (в рамках одного предприятия) и пространстве (в рамках нескольких предприятий). Временное изменение обусловлено развитием технологий и методов технологического проектирования.
В настоящее время обеспечение технологичности принято относить к наиболее трудноформализуемым задачам технологической подготовки производства. Для их решения нет достаточно разработанного математического аппарата, строгих формальных методик Результат решения в значительной мере зависит от опыта, знаний и творческой интуиции формирующих его специалистов.
Отработка изделия на технологичность - сложная задача, при решении которой конструктор должен не только обеспечить высокий технический уровень и эксплуатационные качества создаваемого изделия, но и в полной мере учесть требования производства, то есть обеспечить его производственную технологичность [1, 2].
На практике процессы обеспечения технологичности конструкции изделия
(ТКИ) могут быть решены с использованием систем геометрического
моделирования. Применение этих систем неразрывно связано с современными
информационными технологиями для интеграции процессов, выполняющихся в
ходе всего жизненного цикла продукции и её компонентов. Поэтому очевидно, что обеспечение ТКИ, являясь одной из задач подготовки производства, должно также рассматриваться в контексте применения CALS технологий [5, 6].
Разработка формализованных алгоритмов принятий решений на этапах конструкторско-технологического проектирования (анализ возможности применения высокопроизводительных процессов обработки и типовых технологических процессов (ТП), рациональный выбор вида заготовок, разработка маршрутных и операционных ТП и др.) посвящены работы С.П. Митрофанова, Н.М. Капустина, В. Л. Михельсон-Ткача, и др.
В традиционной конструкторской практике анализ и отработка изделия на технологичность ведется квалифицированными технологами на основе большого опыта, с привлечением информации из различных нормативных документов, справочников, рекомендаций и других источников. Такая практика использования субъективных знаний высококвалифицированных специалистов имеет свои недостатки: носителями знаний являются индивидуальные субъекты, что не позволяет тиражировать такие знания на широкий круг специалистов. За предыдущие десятилетия наметился «разрыв поколений», который во многом нарушил преемственность передачи опыта и знаний от старших поколений младшим [3].
В целом, несмотря на достаточно большое количество научных работ,
рассматривающих различные подходы к формализации и автоматизации решения
различных задач обеспечения ТКИ, до настоящего момента не разработано методик,
математических моделей и алгоритмов, позволяющих поддерживать
автоматизированный процесс обеспечения ТКИ на всех этапах подготовки производства [4].
Научная новизна.
В основу проекта положена идея формализации знаний технолога и построения на их основе системы поддержки принятия решений, что позволит снизить количество ошибок при проведении технологического контроля изделия при запуске в производство, и уменьшить издержки при производстве за счет анализа нескольких проектных решений и выбора оптимального по составу конструктивных элементов с учетом заданного уровня технологичности и заданной стоимости. Проект обладает гибкостью в настройке, возможно применение на различных машиностроительных предприятиях [3].
При реализации данной идеи создана информационная модель изделия на основе метода представления и анализа деталей с учетом заданных показателей технологичности. Для поиска и математического описания минимального состава значимых параметров конструктивных элементов предложена дискретная структурно-реляционная модель изделия, названная информационной моделью (рис. 1). Она отражает необходимые конструктивно-технологические характеристики изделия, используя минимальный объём данных [4].
Рис. 1. Структура и состав данных информационной модели Информационная модель строится на основе данных электронной модели (ЭМ) изделия (рис. 2) с помощью программных средств СЛБ-системы и связанной с ней системой управления данными об интегрированных параметрах производственной среды. Выбор и анализ состава конструктивных элементов осуществляется по формальным критериям, заложенным в информационной модели. Это позволяет автоматизировать процесс подготовки модели, что способствует повышению объективности принятия решений, качества и производительности подготовки модели.
Рис. 2. Электронная модель изделия «диафрагма
1»
Основу информационной модели составляет множество конструктивных элементов (КЭ) в составе ЭМ изделия. КЭ информационной модели есть подмножество всего множества КЭ детали, в котором для каждого значимого КЭ определены соответствующие конструктивно-технологические параметры изделия и отношения с другими объектами производственной среды (технологические операции, средства технологического оснащения (СТО), оборудование). Обозначим множеством Fизвсе КЭ проектируемого изделия и подмножество FзH значимых элементов её информационной модели. Тогда для каждого значимого элемента, как элемента подмножества FзH, справедливо выражение:
/зт е Рзн с ^из, где fзHj -значимый элемент проектируемого изделия;
^Зн - множество значимых элементов в изделии;
^Из - множество всех конструктивных элементов в изделии.
Расположение и количество конструктивных элементов определяется конструкцией изделия, а также зависит от поставленной задачи. В частности, при решении задач, связанных с выбором и анализом состава конструктивных элементов, КЭ располагаются на поверхностях детали, с привязкой к базовым плоскостям изделия, теоретическому контуру (для бортов и поясов), точкам приложения технологических нагрузок и т.д. В этом случае подмножество конструктивных элементов FзH входит во множество всего изделия. Координаты конструктивных элементов определяются из ЭМ изделия, построенного в СЛБ-системе. При необходимости, в ходе решения поставленной задачи состав
конструктивных элементов может изменяться, при этом новые координаты конструктивных элементов берутся на основе данных ЭМ изделия.
В каждом конструктивном элементе информационной модели заданы параметры, описывающие существенные для решаемой задачи характеристики изделия или его элементов. Эти параметры могут быть представлены в скалярном, логическом или ином виде. Состав заданных параметров зависит от решаемой задачи.
Для автоматизированного проведения технологического контроля изделий разработан алгоритм комплексной оценки технологичности с использованием информационной модели изделия. При этом, для качественного проектирования и разработки «Системы анализа ТКИ» авторами были созданы математические модели объектов производственной среды на основе продукционно-фреймовой структуры, применимые в системе анализа оценки технологичности изделия для выбора наиболее оптимального по совокупности условий конструктивного решения.
В качестве основы разрабатываемой концепции приводятся методы, основанные на использовании теоретико-множественных моделей объектов технологической системы. Отношения между рассматриваемыми объектами при изготовлении изделия можно представить в виде следующей иерархии классов «технологическая система» (рис. 3).
На схеме показаны все характерные для каждого класса объектов отношения: для ТП - агрегирование (в данном случае включение) технологических операций и деталей; для технологических операций - отношения использования по ссылкам на
изготавливаемые детали и используемые СТО.
Технологический процесс
Рис. 3. Иерархия классов «технологическая система» При построении системы анализа ТКИ, базирующейся на предлагаемой в данной работе методике, характер поведения проектируемых объектов внутри системы также удобно представить в терминах объектно-ориентированного анализа.
Также используется совокупность сравнительной качественной и количественной оценок технологичности, предусматривающих сравнение существующих вариантов конструктивных исполнений элементов конструкции изделия и выбора наиболее технологичного в заданных производственных условиях (рис. 4).
Рис. 4. Схема объектов системы анализа ТКИ В качестве общей методологической основы использован системный подход, заключающийся в анализе закономерностей выбора методов изготовления отдельных конструктивных элементов изделия с учетом структуры этого изделия и состава объектов технологической системы. При выполнении работы использовались положения оценки технологичности изделий в машиностроении и самолётостроении, теории множеств, алгебры логики и аналитической геометрии, а также методов статистической оценки эмпирических данных об оценке технологичности конструкции изделий в машиностроении. При разработке указанных моделей и методов использовались средства CAD-системы Siemens PLM Software NX 7.5, система управления баз данных MySQL и среда программирования Java [3].
Инновационная новизна.
Созданы математические модели объектов производственной среды на основе продукционно-фреймовой структуры представления знаний и данных в предметной области, применимые в системе анализа оценки технологичности изделия для выбора наиболее оптимального по совокупности условий конструктивного решения и рационального метода изготовления изделия на заданном предприятии (на примере Иркутского авиационного завода).
Новизна данной гипотезы, реализованной в системе, заключается в комплексном анализе ТКИ изделия на основе её трехмерного представления на этапе конструкторско-технологической подготовки производства, но с учетом производственного базиса и технологических возможностей предприятия-изготовителя данного изделия.
Практическая значимость.
Результатом выполнения проекта является система поддержки принятия
решений для технолога, внедрение которой позволяет увеличить прибыль
предприятия за счет привлечения к работе технологов с меньшим опытом, и
обеспечения более технологичного и экономичного производства изделий
авиационной техники. Гибкая архитектура приложения делает возможным
внедрение системы на различных предприятиях машиностроительной
отрасли.Логическая и функциональная структура разработанной Системы показана
на рисунке 5. Интеграция с системой автоматизированного проектирования Siemens
NX позволяет импортировать структуры проектируемых моделей изделия в
программу и производить анализ технологичности конструкции изделия в
полуавтоматическом режиме. Модуль "База данных" предоставляет возможность
заносить информацию об оборудовании, деталях, сборочных единицах и типовых технологических процессах, которые используются на конкретном предприятии. Модуль "База знаний" позволяет каждому специалисту добавлять правила оценки технологичности конструкции изделия, а также формализовать типовые технологические операции изготовления отдельных КЭ детали. Результатом работы системы является сравнительная таблица различных способов изготовления проектируемого изделия, с оценкой времени, стоимости с учетом заданного уровня технологичности конструкции изделия.
Рис.5. Логическая и функциональная структура разработанной «Системы анализа ТКИ»
Перспективы проекта
Внедрение разработанной системы поддержки принятия решений позволит сократить издержки при производстве, за счет анализа нескольких проектных решений и выбора оптимального по составу конструктивных элементов, и обеспечения более технологичного и экономичного производства изделий машиностроительной техники.
Дальнейшее развитие системы предполагает предоставление возможности производить оценку технологичности изделия непосредственно в среде проектирования, а также интеграцию с пакетом 81ешеп8ТеашсеП;ег. Это позволит выполнять следующие задачи:
- решение задачи инженерного анализа конструкции изделия на технологичность непосредственно в среде системы КХ с использованием баз данных и знаний «Системы анализа технологичности конструкции изделия»;
- снижение ошибок в ходе конструкторской и технологической подготовки производства изделия, благодаря отсеву экономически затратных и нерациональных вариантов проектных решений в конструкции изделия;
- снижение цикла запуска изделия в производство за счет уменьшение времени проведения технологического контроля, а именно выявление технологических противоречий на этапе проектирования изделия, а не на этапе запуска;
- подготовка технологических данных для разработки типовых технологических процессов изготовления изделия на основе модели в КХ с учетом технологических возможностей предприятия и заданного уровня технологичности.
Описание решения проблемы
Создана информационная модель изделия на основе метода представления и
анализа трехмерной модели изделия (на примере системы КХ), позволяющая
произвести комплексный инженерный анализ будущего изделия с учетом заданных
исходных показателей технологичности конструкции изделия (ТКИ) на этапе
конструкторской и технологической подготовки производства. Данный метод анализа изделия на технологичность является уникальным, поскольку оценивается его трехмерная модель на наличие коллизий и технологических противоречий между используемыми конструктивными элементами (КЭ) в общей структуре изделия, а также на основе состава КЭ и их значимых параметров анализируются возможные методы изготовления отельных КЭ или изделия в целом с учетом заданным целевых показателей технологичности. Преимущества данной технологии проведения технологического анализа и контроля изделий является универсальность применяемых алгоритмов. Недостатком предлагаемой технологии является то, что все анализируемые изделия должны иметь компьютерное представление (модель, образ).
В конченом виде все алгоритмы реализованы в программе «Система анализа ТКИ», в которой все КЭ, применяемые в рассматриваемой отрасли (на примере авиастроение), описываются в базе данных системы, а технологические рекомендации и типовые тех. процессы изготовления КЭ описываются в базе знаний системы. Таким образом, разработанная система поддержки принятия решений, позволяет проводить анализ изделий на технологичность в зависимости от «прицепленной» базы данных и знаний конкретного предприятия.
Данный продукт предназначен для помощи при проектирование изделий для молодых конструкторов (подсказка оптимального применения КЭ), а также технологов - для проведения технологического контроля изделий при подготовки и запуска в производство изделий.
Значимость работы
В рамках проекта получены следующие результаты теоретической проработки потенциального эффекта от внедрения:
- снижение влияния субъективного фактора при принятии решений в ходе технологической подготовки производства изделия, благодаря использованию выявленных формальных критериев оценки технологичности изделия;
- разработка информационной модели изделия, которая содержит минимальный необходимый объём данных, в отличие от ЭМ изделия, вследствие чего требует меньшего объёма аппаратных ресурсов ПК;
- возможность использования предложенной информационной модели изделия, разработанных методов её построения, анализа и полученных с их помощью данные применимы для решения ряда задач конструкторско-технологической подготовки производства, а именно:
а. выбора конструктивной структуры изделия;
б. выбора состава объектов технологической системы (ТО, СТО, оборудования);
в. проведения комплексной оценки изделий на основе заданных критериев технологичности.
Целевая аудитория пользователей системы являются:
1) конструктор:
а. формирование модели изделия в системе КХ с учетом разработанной базы данных типовых конструктивных элементов и формализованных технологических рекомендаций;
б. отработка технологичности конструкции изделия на этапе проектирования в системе NX при работе в разработанном модуле «Технологический контроль».
2) технолог:
а. проведение технологического контроля при запуске в производство изделий с использование модуля «Технологический контроль»;
б. автоматизированная расцеховка изделия на основе её модели в NX;
в. формирование технологических рекомендаций при разработке технологических процессов для ДСЕ в базе знаний системы.
Таким образом, применение «Системы анализа ТКИ» уже на этапе концептуального проектирования можно добиться выпуска конкурентоспособного изделия с высокими, по сравнению с аналогами, целевыми показателями производственной и эксплуатационной технологичности конструкции изделия.
Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) по комплексному проекту 2012-218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научныгм сопровождением Иркутского государственного технического университета» согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.
Библиографический список
1. Амиров Ю. Д. Технологичность конструкции изделия / Библиотека конструктора. М.: Машиностроение, 1990. - 768 с.
2. ГОСТ 14.201-83. Общие правила обеспечения технологичности конструкции изделия. - М.: Издательство стандартов, 1983.
3. Говорков А.С., Ахатов Р.Х. Анализ технологичности изделия авиационной техники на основе информационного образа изделия / А.С. Говорков, Р.Х. Ахатов // Научный журнал «Известия Самарского научного центра РАН» Т13(44). 2011. -С.285-292.
4. Ирзаев Г.Х. Экспертные методы управления технологичностью промышленных изделий. - Москва.: Инфра-Инженерия, 2010. - 192 с.
5. Колганов И. М. Технологичность авиационных конструкций, пути повышения. Часть 1: Учебное пособие / И.М. Колганов, П.В. Дубровский, А.Н. Архипов. -Ульяновск: УлГТУ, 2003. - 148 с., ил.
6. Осетров В. Г. Технологический анализ машиностроительного производства / В.Г. Осетров, Ю.Д. Амиров. - М.: Машиностроение, 1980. - 205 с.
