CC BY
107
УДК 621.757
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СБОРКИ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
© 2014 О.С. Самсонов, М.О. Шенаев, М.Е. Саутенков, Д.С. Воронцов, А.Н. Петрина
МАТИ-РГТУ ИМ. К.Э. Циолковского, г. Москва
Поступила в редакцию 09.09.2014
Излагаются подходы к формированию и сопровождению технологических баз данных и знаний с использованием комплекса моделей, реализующих интеллектуальную информационную поддержку процессов проектирования технологии сборки изделий авиационное техники на принципах СЛЬ8-технологий.
Ключевые слова: информационная поддержка, информационная среда, модель, технологический процесс, проектирование, информационное обеспечение
При автоматизированном проектировании технологических процессов обычно выделяют процедуры структурного синтеза формирования состава и последовательности операций и переходов, параметрические расчеты (технологические режимы, трудоемкость, циклы и т.д.), геометрическое моделирование и отработку спроектированного процесса. Эффективность информационной поддержки процессов технологического проектирования определяется:
- функционалом CAM-систем по автоматизированной реализации процедур структурно-параметрического проектирования и геометрического моделирования;
- полнотой и объемом информации, используемой для формирования, оценки и оптимизации конструктивно-технологических и организационных решений сборочного производства (КТиОР).
Самсонов Олег Семенович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Технологии проектирования и эксплуатации летательных аппаратов». E-mail: temp@astpp.ru
Шенаев Михаил Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологии проектирования и эксплуатации летательных аппаратов» Саутенков Михаил Евгеньевич, инженер кафедры «Технологии проектирования и эксплуатации летательных аппаратов»
Воронцов Дмитрий Станиславович, инженер-программист кафедры «Технологии проектирования и эксплуатации летательных аппаратов» Петрина Антон Николаевич, заведующий лабораторией кафедры «Технологии проектирования и эксплуатации летательных аппаратов»
В системах класса «технологический редактор» формирование технологических процессов осуществлялось с использованием шаблонов технологических операций. При этом выбор всех принципиальных решений по структуре технологических процессов, а также расчет технико-экономических параметров осуществлялся пользователем (технологом), а средства системы использовались в основном для формирования технологической документации. Однако уже в 70-80-е годы прошлого века активно проводились исследования по разработке методов формализации технологических знаний и их использования для автоматизации процедур структурно-параметрического синтеза, моделирования и оптимизации. Отдельные направления (аксиоматический подход к проектированию технологии, разработка экспертных систем технологического назначения и др.) носили экспериментальный характер и не нашли широкого промышленного применения. Наибольшее распространение получили системы, основанные на применении следующих методов формализации технологических данных:
1. Таблицы принятия решений. Метод основан на представлении технологических данных в виде информационно-логических таблиц, описывающих справочно-нормативные данные и условия принятия решений. При реализации метода для механообрабатывающего производства разработаны классификаторы деталей, их структурных элементов (обрабатываемых поверхностей), а также классификаторы и системы кодирования технологических операций, переходов и элементов производственных систем [1].
1601
2. Типовые математические модели. Компоненты иерархической системы математического моделирования «ИСТРА», предназначенные для проектирования технологических процессов:
- табличные модели: для проектирования типовых и групповых технологических процессов линейно-упорядоченной структурой операций и переходов;
- сетевые модели: для проектирования вариантных технологических процессов при описании связей между операторами в виде графа;
- перестановочные: для проектирования вариантных технологических процессов при описании связей между операторами в виде логических условий (для сборки - уравнения базирования и уравнения доступа в зону сборки).
Применение типовых математических моделей для проектирования технологических процессов, а также отработки технологичности деталей и сборочных единиц, регламентировано государственными стандартами и методическими рекомендациями [2, 3]. В 80-е годы система автоматизированного проектирования технологических процессов была разработана в МАТИ и внедрена на ряде предприятий аэрокосмической промышленности. К ним, прежде всего, следует отнести Ульяновский авиационный промышленный комплекс «УАПК», ныне - ЗАО «Авиа-стар-СП».
3. Базовые и комплексные технологические модули (БТМ, КТМ) - представленные в программном виде алгоритмы проектирования технологических операций и переходов. Базовый технологический модуль является первичным структурным элементом информационной среды системы технологического проектирования (ИС ТП) и представляет собой модель проектирования однопереходной типовой технологической операции. Комплексный технологический модуль - модель проектирования многопереходной типовой технологической операции, групп операций либо типового технологического процесса, представленная в виде совокупности БТМ. При классификации видов работ БТМ объединяются в группы по общности конструктивно-технологических свойств изделий и их элементов, а также по способам выполнения работ. Методология разработки информационного обеспечения в виде информационных модулей была положена в основу создания отраслевой технологической информационной базы (ОТИБ), разработка которой была начата отраслевым технологическим институтом авиационной промышленности (НИАТ) совместно с рядом предприятий авиационной промышленности [4]. Этот подход использован и при создании системы автоматизированного проектирования технологических процессов «ТеМП», разработанной
специалистами ЗАО «Авиастар-СП» и МАТИ [5]. Информационная среда системы ТеМП включает в себя:
- БД моделей элементов производственной системы;
- БД нормализованных и стандартизованных изделий, применяемых в конструкции самолета;
- Базовые и комплексные технологические модули по основным видам сборочно-монтажных работ.
Методика разработки компонентов информационной среды САПР ТП «ТеМП».
Разработка базовых и комплексных технологических модулей должна осуществляться на основании анализа отраслевой нормативно-технической документации по технологическому проектированию изделий АТ, а также ряда международных стандартов. В состав НТД входят отраслевые стандарты (ОСТ), технологические рекомендации (ТР), методические материалы (ММ), руководящие технические материалы (РТМ), производственные инструкции (ПИ), стандарты предприятий (СТП) и типовые технологические процессы (ТТП) [6]. Информация, содержащаяся в НТД, регламентирует проектирование технологических процессов (операций и переходов) по отдельным видам работ в форме таблиц, рекомендаций, расчетных формул, уравнений, номограмм и т.д., на основании которых необходимо разработать алгоритм проектирования и реализовать его в виде программы на языке формализации технологических знаний. Комплекс работ по формализации и алгоритмизации технологических данных включает в себя следующие этапы:
1. Формирование состава технологических решений. В соответствие с ГОСТ Р 50995.3.1-96 [7] технологическое решение - это проектное решение, в котором определены значения параметров технологических процессов изготовления данного объекта в заданных условиях и с заданными характеристиками. Применительно к решаемой задаче технологическое решение (Я) представляет собой упорядоченную последовательность технологических операторов (тг) в составе модели технологического процесса (МТП). Результатом обработки алгоритма принятия технологических решений является иерархический набор записей, содержащих текстовые формулировки технологических операций и переходов, сообщения об ошибках (статическая информация), информацию об изделии и производственной среде, значения параметров процесса (динамическая информация).
На основе матрицы отношений «тгхД» формируется граф, описывающий вхождение технологических операторов в состав технологического решения в виде однозначной последовательности (рис. 1).
1602
Рис. 1. Формирование состава технологических решений
2. Определение параметров технологических операторов, входящих в состав технологических решений. В набор характеристик технологического оператора (рис. 2) могут входить количественные параметры (количество крепежных точек, габариты элементов конструкции, зазоры между деталями пакета и т.д.) и качественные (марка материала детали, условия выполнения работ, положение корпуса исполнителя и т.д.). Значения характеристик, описывающих технологические операторы, используются в алгоритмах формирования состава и последовательности операторов, нормирования и расчета технологических режимов, определения состава средств технологического оснащения. 3. Формирование моделей выбора средств технологического оснащения. Условием выбора в качестве решения позиции базы данных СТО
(п,) являются параметры выполнения технологической операции или перехода (П)), которые формируются на основе перечня характеристик, входящих в описание каждого технологического оператора (т,) (рис. 3). Расширение БД СТО системы ТеМП выполняется в соответствие с каталогами оборудования и оснастки, применяемых в сборочно-монтажном производстве. БД СТО может дополняться 3В-моделями ряда позиций СТО (резьбозавертывающие, сверлильные машины, насадки и пр.), используемыми при моделировании технологии сборки для проведения анализа рабочих зон на возможность выполнения сборочно-монтажных работ (рис. 4).
4. Формирование вариантной структура комплексного технологического решения, описание взаимосвязей и условий входимости операторов в технологическое решение. В качестве
1603
условий принятия технологических решений выступают наборы количественных и качественных конструктивно-технологические кодов комплексных и базовых технологических модулей (КТКкшжтм)- Качественные КТККТМ (параметры процесса) формируются с использованием
каскадных меню, определяющих характеристики выполнения работ. Список возможных условий принятия технологических решений в виде матрицы отношений «Условие» х «Набор КТККТМ» представлен на рис. 5.
Т Количественные Качественные
х, хг+1 хг+2 хг+п хг+п+1 хг+п+2
АЬЬг( х) АЬЬг( хг+1) АЬЬг( х,+2) АЬЬг( х,+п) АЬЬг( хг+п+1) АЬЬг( х,+п+2)
тг • • • •
т г+1 • • •
• • • •
т т, Тп • • •
область значений Хг=/(Х/) Хг+1^<РБА/> Хг+2=[/] Х,+п=1 +П хг+п+1 =/(ХСТО) хг+п+2 =к
ограничения Хг+2еСФ,+2 х,+п еСФ,+п
Рис. 2. Матрица отношений «Технологический оператор х Параметр» (тгххг), где т i - технологический оператор; xi - параметр (характеристика оператора); АЬЬг( х) - описание параметра; СФ1+п - область значений; [/] - характеристика крепежного элемента; РОА/ - указатель на область данных (Рот1ег_1о_Ба1а_Аеа)
щ Идентификатор позиции БД СТО (ЮСТО) Т1 Т2 Тз Т4 Т к-1 Тк-1
о V* г £ 1) V* г £ £ 1) V* г г ^ £ 1) V* г г42 11 V* г С\ V* г £ 1т V* г гс= V* г о £ о V* г £ V* г 2 £ о г £ о г > £ о г £
щ Ю}СТО • • • •
щ2 юсто # #
щ Ю,СТО ё ё ё
Рис. 3. Матрица отношений «Элемент списка СТО (л,) х Параметр выбора СТО (Е)»
Каталоги применяемого оборудования и инструмента
Формирование ЭР-моделей СТО
Формирование БД СТО системы ТеМП. Геометрическая отработка выполнения сборочных операций.
Рис. 4. Разработка БД СТО системы ТеМП. Формирование ЭМ СТО. Геометрическая отработка выполнения сборочных процессов при моделировании ТП сборки изделий АТ
1604
Условие и Качественные КТКктм Количественные КТККТМ/БТМ
пункт меню (Мепи ЬвШ]) пункт меню (Мепи кет2) пункт меню (Мепи Иетщ) х-<к Хг >к
Цел • • •
Ц02 • • •
Ц03 • • •
Цп-1 • •
Цп • • •
Рис. 5. Матрица отношений «КТКктм х Ui»
На основе матриц «TjXRl», «КТККТМхЦ1», формируется матрица отношений «Ц- х Rl» «Условие принятия решения - Технологическое решение (набор технологических операторов)» (рис. 6), описывающая однозначное соответствие каждому из условий определенного технологического решения. Одному условию принятия технологического решения может соответствовать единственное технологическое решение. Для различных условий принятия технологического решения в качестве результата проектирования может выступать одно и то же технологическое решение.
На рис. 7 представлена матрица «тIхGтI Ьтг хЮИххх UIхRI», определяющая структуру
комплексного технологического решения и описывающая взаимосвязи технологических операторов в моделях технологических решений Rl.
Условие И; Технологические решения
Rol R02 Roз R04
Ц01 т
Ц02 •
Цоз •
•
Цп •
Рис. 6. Матрица отношений «Ц- х Rl (набор т)»
г, Идентификатор БТМ (ОТ.ХТ,) Идентификатор модели нормирования (ЮАГ,) Характеристики операторов Формулы расчета выходных параметров Технологические решения
Количественные Качественные
1—1 о X с! X ГГ) о X о X ■о о X Я
5 С' ГЧ]' о X -С -с о X -с -о о X -5 -с С; X -С -Сз 8 с? С? •о
XI GTI.LT1 ЮК1 • • • Тш( Т1) =/(хо1, хо5,х„, Г;»') • • •
Т2 О Т2.Ь Т2 ШК2 • • ТШ(Т2)=/(Х04,Х„,Т^) • • • •
Тк Отк.Ьтк ЮЫк • • • Тш( Тк) =/(Х01,Х03, Х5, Т^ ) • •
Условия принятия технологических решений и01 •
и02 •
•
и„ •
Рис. 7. Матрица отношений «тlхGт.LтlхxlхRl хЦ х ЮЫ1», где т1 - технологический оператор; Gtj.Lt!- идентификатор модели технологического оператора (БТМ); х1 - параметр (характеристика оператора); АЬЬг{х1) - описание параметра; ЮШ1 - идентификатор модели нормирования БТМ
Дополнением к модели «тiхxlхRiхUl» мо- 1) Технологический оператор - Характеристика жет являться матрица, приведенная к виду (1) и оператора (т х х);
описывающая следующие взаимосвязи: 2) Технологическое решение - Состав техноло-
гических операторов ^ хт1);
1605
3) Технологический оператор - Условие входи-мости в технологическое решение («т,х и);
4) Технологическое решение - Условие принятия решения (^ х и);
5) Технологический оператор - Алгоритм расчета выходных параметров (модель нормирования) (г, х ЮЩ;
6) Технологический оператор - БД СТО (т, х Ю,СТО).
(1)
Пример сводной матрицы отношений «т,хх,хЯ,хи,хЮМ,хЮ,СТО» приведен на рис.8. Последовательность формирования технологического решения на основании вектора исходных данных отображена стрелками. Составы технологических операторов и их характеристик, состав условий принятия технологических решений детализируются с учетом дополнительных параметров процесса.
5. Разработка алгоритма проектирования технологической операции и программная реализация модуля. Алгоритм проектирования представляется в виде блок-схемы, включающей в себя расчетные и логические процедуры по преобразованию исходных данных в проектное технологическое решение.
Исходный вектор (характеристики процесса).
• • • • •
4"" 4" J' i
Характеристики технологических операторов Технологические решения Набор инструментов оборудования СТО Формулы расчета выходных параметров
Качественные Количественные
и. X QJ X 02 x 03 X 04 x 05 x 06 x 07 X i R0, R02 R, %! 1 у. Л 1 а * £ 3 £ г- Ь— сь £ Л 1? ТН С iy £ з £
Условия принятия технологических решений Uoi • • • • • Идентификатор позиции БД СТО (Ю,СТО)
U02 • • • • • • •
U03 • • • • • • £ и е £ о 8 о S г s 5? а г £
и, • • • • •
Технологический оператор Tt • • • • • —> • • •
• • • • • • • •
• •
T, • • • • • —>• • • •
Рис. 7. Матрица отношений «т,хх,хК,х и1х1ВЫ1х1В1СТО», где т, - технологический оператор; х, -
параметр (характеристика оператора); ^ - технологическое решение (набор технологических операторов); и, - условие принятия решения; ЮШ, - идентификатор модели нормирования БТМ;
ЮСТО - идентификатор позиции БД СТО
В системе ТеМП программирование информационных модулей осуществляется с использованием языка формализации технологических знаний TKL (Technological Knowledge Language), разработанного для формирования и сопровождения технологической части информационного обеспечения. TKL позволяет не только описывать определенные типы алгоритмических моделей, обслуживающих процесс проектирования, но также оперативно модифицировать их в условиях частой смены объекта производства, характерной для ряда предприятий отрасли. Назначение и область применения TKL:
- описание исходной информации для проектирования технологических операций и переходов, формирование системы запросов значений параметров проектирования;
- использование ЭМ изделия в качестве данных для визуализации ТП (моделирование состояний ЭМИ и ЭМ элементов ПС под управлением модели ТП);
- разработка и хранение массивов данных для проектирования и описание процедур доступа к ним;
1606
- описание процедур поиска технологических решений вида: «Последовательность операций и переходов» — «Перечень СТО, инструкций, требований к ТП» — «Расчет технологических режимов и нормативов времени»;
- согласование данных, используемых в комплексе полученных решений.
Компилятор ТКЬ осуществляет перевод технологического алгоритма в исполняемый файл обработки информации в ходе формирования модели технологического процесса (рис. 8).
Рис. 8. Формирование алгоритмической модели ТТО, программная реализация и отработка алгоритма формирования комплекса технологических решений
В ходе проектирования ТП состав операций формируется пользователем, а проектирование структуры и параметров операций, а также геометрическое моделирование процессов взаимодействия ЭМИ и элементов ПС реализуется системой в автоматизированном режиме. Результатом исполнения информационного модуля является следующее состояние модели технологического процесса:
1. В состав МТП включена модель технологической операции.
2. Определен состав и последовательность технологических переходов.
3. Выполнен расчет технологических режимов.
4. Определено Тшт на выполнение каждого перехода и операции в целом.
5. Сформирован перечень оборудования, оснастки, инструмента, необходимого для выполнения операции.
6. Сформирован состав производственных инструкций и инструкций по охране труда, в соответствии с которыми выполняется данная операция.
Базовое информационное обеспечение системы «ТеМП» по технологии сборочно-монтажных работ носит инвариантный характер и используется для создания рабочего информационного обеспечения конкретного предприятия. При этом выполняется комплекс работ для его адаптации и настройке под заданные производственные условия с учетом действующей на предприятии НТД. В состав базового ИО входит более 7000 БТМ и более 120 КТМ. Изложенная методика формирования информационного обеспечения использована при реализации проектов создания российского транспортного самолета Ил-476, ближнее-среднемагистрального самолета МС-21.
1607
В качестве дальнейшего развития информационной базы планируется разработка информационных модулей для проектирования 1. технологических процессов по другим видам производств. Для этого необходимо адаптиро- 2. вать существующую систему классификации и кодирования объектов технологии (деталей, материалов, сборочных единиц, технологической 3. оснастки, оборудования, инструмента и т.д.) к требованиям современного производства и разработать модель данных, предназначенную для 4. хранения и управления технологической информацией. В настоящее время разрабатывается модуль формирования и оценки конструктивно- 5. технологических и организационных решений, реализация которого позволит выполнять расчет показателей производственной технологичности, включая технологическую себестоимость изде- 6 лий АТ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Цветков, В.Д. Система автоматизированного проектирования технологических процессов. - М.: «Машиностроение», 1972. 240 с. САПР. Типовые математические модели объектов проектирования в машиностроении. РД 50-464-84. - М.: Издательство стандартов, 1985. 201 с. САПР. Правила разработки и применения типовых математических моделей при проектировании технологических процессов. ГОСТ 23501.605-83. -М.: Издательство стандартов, 1984. 10 с. Уланов, М.Е. Создание отраслевой технологической информационной базы / М.Е. Уланов, Н.П. Вежновец, В.И. Карьков // Авиационная промышленность. 1982. №12. С.79-81. Самсонов, О.С. Комплексное моделирование процессов сборочного производства изделий авиационной техники / О.С. Самсонов, М.Е. Саутенков, И.И. Толстопятов // Авиационная промышленность. 2012. №3. С. 51-57.
Кривов, Г.А. Эффективно организованная электронная технологическая среда - основа компьютерного проекта самолета // Информационные технологии в наукоёмком машиностроении. - Кшв: «Техтка», 2001. С. 327-398. ГОСТ Р 50995.3.1-96 «Технологическое обеспечение создания продукции. Технологическая подготовка производства»
DEVELOPMENT OF INFORMATION SUPPORT FOR DESIGN AND MODELING THE ASSEMBLY TECHNOLOGICAL PROCESSES OF AIRCRAFT EQUIPMENT
© 2014 O.S. Samsonov, M.O. Shenayev, M.E. Sautenkov, D.S. Vorontsov, A.N. Petrina
MATI-RSTU named after K.E. Tsiolkovskiy, Moscow
Approaches to formation and maintenance of technological databases and knowledge with use of models complex, realizing intellectual information support of projecting the assembly technological processes of aviation equipment on the principles of CALS technologies are stated.
Key words: information support, information medium, model, technological process, design, information support
Oleg Samsonov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department "Technologies of Aircraft Design and Maintenance". E-mail: temp@astpp.ru Mikhail Shenaev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department "Technologies of Aircraft Design and Maintenance"
Mikhail Sautenkov, Engineer at the Department "Technologies of Aircraft Design and Maintenance " Dmitriy Vorontsov, Software Engineer at the Department "Technologies of Aircraft Design and Maintenance" Anton Petrina, Chief of the Laboratory at the Department "Technologies of Aircraft Design and Maintenance"
1608
