CC BY
37ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 681.2.001.63 © Р. И. Сольницев
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Работа посвящена методологии проектно-производственных процессов в приборостроении. Разработан подход к формированию подсистемы САПР поддержки, управления и контроля качества процессов проектирования и производства для лица, принимающего решение.
Развитие проектно-производственных процессов в приборостроении, так же как и в других отраслях промышленности, направлено на решение важнейших задач непрерывного повышения качества приборов и их конкурентоспособности на мировом рынке. Решение этих задач возможно только на основе новых инструментов проектировщика — средств САПР как основы информационной технологии проектирования и производства.
В [1, 2, 3] были рассмотрены процессы проектирования различных приборостроительных предприятий, а в [4] проведен их анализ и формализация. На основе анализа проектных процедур и их взаимодействия в процессах проектирования были выявлены состав и конкретные требования к подсистемам (инструментам) САПР "разработчиков", "конструкторов", "технологов" и "испытателей". Полученные результаты используются при создании САПР на этапах обследования проектных предприятий и разработки структуры САПР.
Особенности изделий приборостроения отражаются в требованиях к их проектированию и производству прежде всего по точности, которая имеет определяющее значение на всех этапах жизни приборов. Задачи обеспечения точности приборов приводят к необходимости разработки средств расчета размерных цепей, решению до-пусковых задач, оценкам точности приборов на подвижном основании в условиях многочисленных возмущений и помех. Помимо точности к приборам предъявляются требования по помехоустойчивости, минимизации весо-габаритных характеристик, надежности. Эти особенности определяют критерии разработки информационных технологий проектирования и производства приборов и соответствующих инструментов САПР.
На начальных этапах жизни приборов применяются следующие подсистемы (инструменты) САПР [5]:
— "Построение математических моделей",
— "Упрощение математических моделей",
— "Моделирование",
— " Анализ",
— "Синтез".
Все перечисленные подсистемы строятся на основе специально созданного для этой цели пакета прикладных программ аналитических преобразований на ЭВМ.
Подсистема "Построение математических моделей" (ММ) основана на формализме Лагранжа и ряде связанных с ним алгоритмов. Как подсистема САПР она включает проблемно-ориентированный язык для построения ММ по исходным кинематической и электрической схемам. Операторы языка содержат задание обобщенных координат, масс, моментов инерции, сил трения, упругости, систем координат, контуров и параметров электрических цепей.
Подсистема "Упрощение математической модели" основана на методах и алгоритмах нетождественных преобразований ММ с целью упрощения их дальнейших исследований, хранения, объединения, документирования. Применяются методы и алгоритмы декомпозиции, последовательных приближений, редукции, линеаризации. Проблемноориентированный язык этой подсистемы включает операторы приведения подобных членов уравнений ММ, анализ структурных связей, линеаризации, построение уравнений и функций чувствительности, переход к передаточным функциям и мн. др.
Подсистемы "Моделирование" и "Анализ" основаны на методах и алгоритмах численного интегрирования систем дифференциальных уравнений (СДУ) и численно-аналитических алгоритмах анализа; применяются неявные численные методы Гира, Куртиса—Хиршфельдера, Ракитского, численно-аналитический метод, который позволяет получать в аналитическом виде зависимости между характеристиками и параметрами исследуемых объектов.
Проблемно-ориентированный язык включает операторы решения СДУ, построения корреляционной матрицы и матрицы частотных спектров, определения характеристик динамики и статики приборов.
ВС
Подсистема "Синтез" основана на численноаналитическом методе параметрического синтеза и методе полиномиальных уравнений. Численноаналитический метод позволяет осуществлять параметрический синтез с помощью аналитических формул связи характеристик приборов с их параметрами, что исключает поисковые процедуры. Проблемно-ориентированный язык в этом случае имеет операторы построения определяющих уравнений, операций над полиномами, решения полиномиальных уравнений, формирования в аналитическом виде ММ синтезируемой части.
Особое место на начальных этапах проектирования приборов занимает подсистема (инструмент) САПР "Согласование технического задания" (ТЗ). Этот этап является трудно формализуемым, требует наивысшей квалификации "заказчика" и "исполнителя", сам процесс согласования ТЗ может затягиваться на недопустимо длительное время.
Соответствующий инструмент САПР разработан и используется в приборостроении [6]. Эта подсистема САПР построена на основе методов экспертных систем, использования семиотических и имитационных моделей, применения теории "расплывчатых множеств".
На этапах рабочего проектирования конструкторско-технологической подготовки производства, когда выпускается конструкторско-технологическая документация и изготавливаются постпроцессоры для станков с ЧПУ, наиболее перспективной представляется трехуровневая система из инструментов САПР [7].
На верхнем уровне для конструирования облика прибора в трехмерном (3D) пространстве используется PRO-Engineer, на следующем — Solid Works или Solid Edge и на нижнем — AutoCAD.
Такая иерархия инструментов САПР позволяет совместить преимущества конструирования прибора в параллельной, центральной или аксонометрической проекциях с анимацией и выпуском конструкторско-технологической документации по стандартам ЕСКД. В процессе работы конструктор манипулирует объемными телами в трехмерном (3D) пространстве, получает расчетные данные, в том числе и по допусковой задаче, осуществляет наглядное представление последовательности сборки прибора из сборочных единиц.
Для процессов создания приборов, не разделяемых в настоящее время с маркетингом, необходима система поддержки, управления и контроля качества процессов проектирования и производства. Разработка такого инструмента является весьма актуальной. В этой связи предлагаются подходы для формирования инструмента САПР поддержки проектно-производственных решений для лица, принимающего решение (ЛПР).
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Дано:
Я = { = Ф(, х2,..., х„ ) і = 1, N, (1)
где Я — множество возможных решений (возможных заказов, проектов, технических процессов, принятия решений и т.п.); п — количество характеристик, признаков і-го решения (технических, маркетинговых, социальных, эргономических).
K = F (l,..., km ),
(2)
где К — показатель эффективности, функционал от критериев формирования Я; т — количество критериев (точность, масса, габариты, качество, надежность, удобство технического обслуживания, эргономичность).
О = (, О2,..., Ог),
(З)
где О — вектор ограничений формирования Я при заданном К.
Эксперты, возможно из категории ЛПР, формируют коэффициенты-приоритеты отдельных
м
критериев X/. ПХ < 1 или и — полезность от-
}=1
дельных решений.
Требуется:
НайтиХі, і = 1, ^ << N, < 3) при
м
к = тах{} г8 = /(к1 К2..Кп), (4)
■5=1
где г5 — комплексная свертка значений критериев одного варианта, / — функция получения свертки / є }.
Функцию / можно отыскивать разными способами и формами.
Наиболее простая форма — аддитивная
/ ^ЪЛгкг,
Г5 =КкЛ +^2к я2 + ... + Ккт , 5 = I М . (5)
Выбор к,] осуществляется на основе статистических методов обработки экспертных оценок, где все к — относительные величины:
7 кг,тах
г кг
(элементы формулы описаны ниже), или специальными методами.
Выделяя для мажоритарной оценки качества прибора основную его характеристику к1 —
точность и указывая все остальные составляющие (к2 — надежность, к3 — стоимость, к4 — весогабаритные данные, к5 — наличие резервов, к6 — ущерб при отказе, к7 — ремонтопригодность), (2) можно представить в виде
К = + А2к2 + Язкз + А4к4 + А5к5 + А^кб + А7к7 . (6)
В частности, К3 можно записать в виде:
К 3 =
З - C1 - C2 - C3
З
(7)
где З — стоимость (цена) изделия (руб./год), С1 — удельные затраты на изготовление и разработку изделия (или п изделий) (руб./год), С2 — стоимость эксплуатации и ремонта (руб./год), С3 — стоимость причиненного ущерба при отказах (руб./год) за время I < Т.
Все эти данные должны быть получены по результатам статистики работы предприятия в течение 5-10 лет.
Раскрыть выражение (2) можно в форме
K —
C
Cm
гп
i =1 / max i =1
где Л — весовой коэффициент i-го показателя качества, ki — kimax ki — относительный показа-
■ і /,max / 1
тель качества, kt — абсолютный (текущий, проектируемый) показатель качества, ki,max — максимально допустимый показатель качества, С — стоимость решения (изделия), Cmax — максимально допустимое значение стоимости.
Применяя метод ситуационного управления для поиска решения, процесс принятия решения строим в виде
VS, є S 3R,,
iJ
R =< Sc, Sk, Sсу, F, K >: Sc ^ Sk,
(9)
^<1k11 + Л2 kl2 + ... + Лmk1m = U1,
Лл k 1 + Лл k о + + Л ki — U'
1 nl '^2 n2 ................... m lm ,
(1c)
где и 1 > и2 > ... > иы , ПА] < 1, N — количество
вариантов решения в (1); иь..., UN — полезность решений; т — количество критериев в (2); А] — весовые коэффициенты (] =1, т ); к^ — ]-й критерий г-го варианта в относительных величинах.
ЛПР назначает иг, например
и1 = 1, и2 = 0.9, и3 = 0.7, ..., ^ = 0.1.
Тогда из (10) находим
А1к11 + А2 к12 + ... + Атк1т = 1, .............................. (11)
•^1kN 1 + Л2 kN 2 + ... + Лmk1m = С.1.
Для каждого варианта решения г составляется строчка из значений критериев К] (] = 1, т ); решается система алгебраических уравнений (10) относительно А]; составляются свертки (4); выбирается 5-е Х — Х5, соответствующее тах{г5}, и соответственно оценивается и — и ; составляется невязка
(В) А —
U. - U.
. Если А < 5д,
где «0 — начальное состояние объекта (до принятия решения); Бк — конечное состояние объекта (после принятия решения); К — показатель эффективности (2); ^ — множество операторов, переводящих «0 в «к;
— состояние системы управления проектнопроизводственным процессом.
Наиболее удобным для ЛПР представляется ранжирование вариантов решения по их полезности иг . Ранжирование г вариантов решения можно свести к системе
N
■доп , то процесс окончен, если нет, то делается следующая итерация.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение отметим, что применение информационных технологий в приборостроении не дань моде, а неизбежный этап в научнотехническом прогрессе. В настоящее время жизненный цикл прибора следует поддерживать в стандартах, аналогичных CALS, STEP, Quality, что обеспечивает информационные технологии проектирования и производства, в том числе параллельную работу разработчиков, конструкторов, технологов, производственников над созданием прибора; логистическую поддержку всех этапов жизни изделия; обеспечение успешного маркетинга на предприятиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования гироприборов. СПб.: РУМБ, 1985. 120 с.
2. Сольницев Р.И., Чарышев Ш.Ф. Автоматизация проектирования, изготовления и испытания авиационных приборов и систем. М.: МАП, 1990. 270 с.
3. Сольницев Р.И., Цуканов В.Н., Шишкин Б.Н. Методическое и организационное обеспечение САПР. СПб.: ЛИАП, 1992. 10 с.
4. Сольницев Р.И., Соложенцев Е.Д. Вопросы формализации и интеллектуализации процессов проектирования. СПб.: РАН, 1992. 50 с.
5. Булатов В.П., Сольницев Р.И., Фридлен-дер И. Г. и др. Основы теории точности машин и приборов. СПб.: Наука, 1994. 340 с.
6. Сольницев Р.И., Галанина В.А., Козенко С.Л. Информационные технологии на начальных этапах жизни изделия // Труды Международного конгресса "Конструкторско-технологи-
INFORMATION TECHNOLOGIES IN INSTRUMENT ENGINEERING
R. I. Solnitsev
Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, Saint-Petersburg
The paper describes the methodology of design and manufacturing processes in instrument engineering. An approach to forming a CAD subsystem for support, management and qualitity control of design and manufacturing processes for decision making persons is developed.
ческая информатика 2000". М.: Гос. ун-т технолог. "СТАНКИН", 2000. Т. II. 158-160 с.
7. Сольницев Р.И. Информационные технологии в проектировании. СПб.: ГУАП, 2000. 105 с.
Государственный университет аэрокосмического приборостроения, Санкт-Петербург
Материал поступил в редакцию 09.10.2001.
