автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процесса формирования конструкторско-технологических решений изделий машиностроения

На правах рукописи

ЧЕРЕМШАНОВ Михаил Александрович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2005

Работа выполнена на кафедре «Транспортные машины» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Дьячков Ю. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Годунов А. И.;

кандидат технических наук, доцент Гераськов С. В.

Ведущая организация - ОАО «Пензадизельмаш» (г. Пенза).

Защита диссертации состоится «_» декабря 2005 г., в 14 часов,

на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан «_»_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Соколов В. О.

21дШ I

£2> 6-7 О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В основу организации разработки изделия машиностроения в ГОСТ Р 15.000-94 - «Система разработки и постановки продукции на производство. Основные положения» - положены принципы целенаправленного и комплексного охвата видов выполняемых работ на стадиях жизненного цикла продукции и модульный принцип обеспечения организационно-технического механизма взаимоотношений субъектов хозяйственной деятельности. Реализация первого принципа, предполагающего интеграцию содержаний видов работ по этапам жизненного цикла изделия машиностроения, в полной мере становится возможной на основе потенциала современных, характеризующихся прогрессирующим объединением в целостный комплекс систем, ранее адаптированных к решению специфичных задач каждого из этапов (САПР, АСУ, АСУТП, АСУП, АСТПП и т. д.). Примерами такой интеграции являются современные системы SolidWorks, Pro-Engineer, CATIA, AutoCad, t-flex, Компас и другие, обеспечивающие построение конструктор-ско-технологических решений (КТР), проведение всей совокупности инженерных расчетов (ИР), подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ, управление технологическими процессами производства, а также документальное сопровождение изделия на всех этапах его жизненного цикла (рисунок 1). Такие возможности обеспечиваются построением систем в виде базового ядра, снабженного интегрированными с ним подсистемами специального назначения (к примеру, последние версии SolidWorks имеют более 200 подобных подсистем). Высокое качество управления всей технологией разработки изделия в таких системах обеспечивается конвертируемостью форматов представления данных (обеспечение совместимости разработок) и, главное, возможностью корпоративного доступа к процессу специалистов-разработчиков всех профильных направлений (обеспечение системности, оперативности и гибкости процесса). Это приводит к существенному сокращению длительности разработки изделий машиностроения при одновременном обеспечении требуемых качественных характеристик.

Известно, что значительная доля (до 40%) брака изделий машиностроения связана с ошибками этапа формирования КТР (на этап непосредственного производства прдщи^ся Одной из

библиотека I

"Wrf!

СПе •9

А

%

XI

1

причин такого положения является невозможность использования организационно-технологического потенциала современных систем автоматизации на этом этапе, обусловленная отсутствием формализмов системной генерации информационного пространства и недостаточной разработанностью инструментов управления процессом формирования КТР.

Таким образом, разработка системного инструментально-методического комплекса, обеспечивающего автоматизацию процессов формирования КТР, являющегося подсистемой интегрированной совокупности систем разработки и производства изделий машиностроения в свете требований ГОСТ Р 15.000-94, представляется актуальной задачей.

Цель работы. Расширение возможностей современных интегрированных систем автоматизации разработки и производства изделий машиностроения посредством формирования подсистемы генерации информационного пространства и инструментального обеспечения построения и оценки КТР.

Объектом исследования является совокупность процессов, определяющих этап построения КТР изделий машиностроения.

Предметом исследования является инструментальное и методическое обеспечение автоматизации процесса построения КТР.

Методы исследования. Использованы основные положения общей теории функциональных систем, теории управления, теории искусственного интеллекта, методов структурного анализа систем, методов моделирования, методов построения информационных систем автоматизированной разработки и поддержки принятия решений. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием вычислительной техники, средств и методов разработки программного обеспечения.

Научная новизна работы заключается в следующем: , 1. Предложен формализм, обеспечивающий структуризацию

информационного пространства формирования КТР и его интеграцию в базу знаний систем автоматизированной разработки и производства изделий машиностроения.

2. Разработана методика системной генерации информационного пространства, направленного построения и опенки потенциально реализуемых КТР изделий машиностроения, регламентирующая использование информационных ресурсов и инструментов их обработки.

3. Разработан инструментальный аппарат формирования КТР, включающий:

- метод анализа и построения структуры взаимодействия технической системы (ТС) с окружающей средой;

- метод формирования множества допустимых КТР на основе комбинаций размерных комплексов, соответствующих закономерностям природы;

- алгоритм определения предметной области и формирования первичной структуры и описания объекта-передачи.

4. Разработан инструментальный аппарат инженерного анализа КТР, включающий:

- алгоритм унификации множества вариантов структур КТР;

- алгоритм параметрической оптимизации вариантов КТР.

* Практическая ценность работы определяется построением диа-

логовой подсистемы автоматизации формирования КТР (ПАФКТР), ориентированной на интеграцию в единый комплекс систем автома-, тизации разработки и производства изделий машиностроения, обес-

печивающей:

автоматизацию формирования КТР;

- интеграцию в общее поле инструментов синтеза технологических процессов разработки и производства изделий машиностроения;

- корпоративную работу представителей всех специализаций по созданию изделий машиностроения на всех этапах жизненного цикла.

Реализация полученных результатов. Результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Транспортные машины» Пензенского государственного университета и учебном процессе Пензенского артиллерийского инженерного института, внедрены в производство на ОАО <'Пензадизельмаш» и используются в качестве инструмента формирования новых КТР в профильных направлениях предприятия.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика системной генерации информационного пространства, направленного построения и оценки потенциально реализуемых КТР изделий машиностроения.

2. Инструментальный аппарат формирования КТР, включающий:

- метод анализа и построения структуры взаимодействия ТС с окружающей средой;

- метод формирования поля допустимых КТР на основе комбинаций размерных комплексов, соответствующих закономерностям природы;

алгоритм определения предметной области и формирования первичной структуры и описания объекта-передачи.

3. Инструментальный аппарат инженерного анализа КТР, включающий:

- алгоритм унификации множества вариантов структур КТР;

- алгоритм параметрической оптимизации вариантов КТР.

4. Подсистема автоматизации формирования КТР, ориентированная на интеграцию в единый комплекс систем разработки и производства изделий машиностроения.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международном юбилейном симпозиуме «Актуальные проблемы науки и образования» (ПГУ, г. Пенза, 2003 г.), X Всероссийской научной конференции студентов-физи-

ков и молодых ученых (АСФ России, Екатеринбург - Красноярск,

2004 г.), Межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в России» (КИТУТ, г. Кузнецк, 2004 г.), ÍII Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (ПДЗ, г. Пенза, 2005 г.), Международном симпозиуме, посвященном 175-летию МГТУ им. Н. Э. Баумана «Проектирование колесных машин» (МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Москва,

2005 г.), МНТК «Современные тенденции транспортного машиностроения» (ПДЗ, г. Пенза, 2005 г.), XVI Межвузовской региональной научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья «Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники» (РИО ПГСХА, г. Пенза, 2005 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованной литературы из 134 наименований и 4 приложений на 21 странице. Работа изложена на 157 страницах (в том числе 138 машинописных листа), содержит 60 рисунков и 13 таблиц.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель, определены объект и предмет исследования.

В первом разделе представлен аналитический обзор текущего состояния вопросов автоматизации проектирования и формирования КТР, определены задачи диссертационной работы.

Решение проблем автоматизации построения и развития КТР базируется на трудах огромного числа отечественных и зарубежных ученых. В основе реализованных в работе подходов лежат идеи, сформулированные такими отечественными учеными, как Г. С. Альт-шуллер, П. К. Анохин, Е. А. Арайс, И. И. Артёмов, Г. Я. Буш, В. А. Веников, Л. И. Волкевич, В. М. Глушков, А. И. Годунов, Б. К. Новиков, И. П. Норенков, А. И. Петренко, А. И. Половинкин, В. Н. Садовский, Ю. М. Соломенцев, Р. И. Сольницев, В. М. Цуриков, М. А. Щербаков, Д. Б. Юдин и др.

Проведены анализ существующих систем автоматизации управления и проектирования, систем поддержки принятия решений, технологий и методов поиска новых технических решений и их классификация, а также анализ интеллектуальной деятельности человека и основных признаков естественного интеллекта, соответствие имеющихся поисковых технологий стратегиям мыслительной деятельности человека. В результате выявлены основные причины, ограничивающие возможности автоматизации процессов формирования КТР существующими средствами:

- отсутствие формализмов системной генерации информационного пространства;

недостаточность совокупности и потенциала инструментов управления процессом формирования КТР.

Сформированы основные требования к ПАФКТР:

1. Система должна обладать базой знаний концептуального характера и формальным аппаратом обработки подобных знаний.

2. Структура ПАФКТР должна иметь два параллельных цикла, замкнутых на мозг человека (циклы интеллектуальной деятельности человека и интеллектуальной машины - ПАФКТР).

3. Информационная база машины должна основываться на метазнаниях о характере и механизмах преобразования пространства данных, определяющих суть решаемой задачи, и реализовывать две задачи:

формирование (влияние на формирование) направлений построения и интеграции информационных блоков в структурное описание будущей реальности - КТР;

самостоятельная доработка структурного описания КТР на основе результатов работы пользователя.

В соответствии с поставленной целью и предъявленными требованиями определены основные задачи работы:

- формирование инструментов системной генерации информационного пространства;

- разработка инструментального обеспечения построения и оценки КТР;

- разработка инструментов инженерного анализа КТР на основе ограниченной базы их свойств;

- разработка структуры базы знаний ПАФКТР;

- реализация программной части ПАФКТР;

- формирование методики системной генерации информационного пространства, направленного построения и оценки потенциально реализуемых КТР;

- проверка работоспособности ПАФКТР на примерах решения задач реальной практики.

Во втором разделе проведен анализ структурной области эволюции ТС и введены основные понятия, характеризующие ее содержание.

Определены этапы формализации исходной цели в задачу построения системы - изделия машиностроения:

- цель построения системы и ее административная формулировка;

- техническая постановка задачи - определение предметной области и ограничений на использование ее ресурсов;

- физическая постановка задачи - определение закономерностей предметной области, обеспечивающих техническую реализацию системы;

- технологическая постановка задачи - определение информационного, инструментального обеспечения и навигации в пространстве потенциально возможных КТР.

Сформулированы семь типовых проблемных ситуаций, характеризующих начальный этап построения КТР:

1. Недостаточность управляемости системы.

2. Чрезмерное энергетическое взаимодействие в системе.

3. Необходимость дифференцированного воздействия на части системы.

4. Необходимость сосредоточенного действия на части системы.

5. Необходимость разделения потоков полезного и негативного действия по составляющим.

6. Недостаточность проявления свойств системы.

7. Необходимость построения измерительной системы.

Разработан инструментально-методический аппарат формирования механизмов взаимодействия ТС со средой обитания. Определены состав и инструментальные возможности системы «Объект - Среда обитания» (О-СО) (рисунки 2, 3). Под объектом понимается изделие машиностроения, в общем случае являющееся технической системой, под средой обитания понимается материальное окружение разрабатываемого изделия.

Рисунок 2 - Система «Объект - Среда обитания»

Структур» яюи«¥иЛьтмм О м СО

Способы и реэвраы протдодеАстм С

ЛОттш ср&ш ни авшт шпияою цр^шл« т новую ер

Пщ**ю грлШшшттю» смтатив мвМ-ттас

О) упрезлкмюп С* Нвутгрввпчижг

лртлцлйепт

Рисунок 3 - Схема взаимодействия объекта с элементами среды обитания

При этом объект представлен четырьмя обязательными элементами: источником энергии (ИЭ), передачи (П), управления (У) и инструментом (И) обработки СО, а СО - пятью составляющими: средой, обрабатываемой объектом (С1), средой, обеспечивающей пространственно-временную фиксацию объекта (С2), средой приема отходов основного действия объекта (СЗ), средой пассивного действия (С4), средой активного противодействия (С5),

Построены методы формирования структур действия и защиты объекта, свойств и характера противодействия среды обитания; структур организации элементов ТС: энергетической, передачи, управления.

На основе анализа закономерностей построения и развития ТС и предложенного инструментально-методического аппарата сформировано обобщенное представление информационного пространства проектируемого изделия (рисунок 4).

Содержание информационного пространства включает в себя основные структуры организации проектируемой ТС: 1) функциональную; 2) энергетическую; 3) принципов действия; 4) множества элементов; 5) пространственную; 6) внешнюю; 7) внутреннюю; 8) состояний; 9) временную; 10) обеспечивающую.

Этапы раштм

Уровень а представления м объекта

Характеристике взаимодействия объекта со средой ^ обитания

Рисунок 4 - Обобщенное представление информационного пространства проектируемого изделия

Определена информационная организация каждой из структур (в общем виде представленная на рисунке 5). В соответствие структурам поставлены разработанные оригинальные инструменты формирования их описания: структуры пространства информационного обеспечения построения КТР; формального описания взаимодействия объектов со средой обитания - обнаружения, измерения, энергообмена (действия, противодействия, защиты); построения энергетической структуры и объекта-передачи; формирования структур потенциально реализуемых КТР в предметных областях построения на основе анализа размерностей.

Процесс наполнения содержания структур соответствующими данными обеспечивает устранение состояния информационной неопределенности исходной задачи и организацию целостного описания конструкции изделия с указанием параметров, характеристик и режимов его функционирования.

Уровень представления объекта

Характеристика составляющих среды обитания объекта

СЗ

)бъект

Уровень элементов-носителей указанных свойств

Уровень свойств

С4 С5

_С1_в С2

Характеристика взаимодействия объекта со средой обитания

Рисунок 5 - Обобщенное представление внутренней организации структур проектируемого изделия

Разработана формальная структура общего представления информации, определяющая содержание базы знаний (БЗ) ПАФКТР. Выделены четыре информационных множества, подлежащие формализации: 1) массив предметных областей; 2) комплекс инструментально-

методического обеспечения (КИМО) автоматизации формирования КТР изделия машиностроения; 3) массив размерных комплексов (РК); 4) массив физических эффектов и явлений (ФЭЯ).

Согласно формальной структуре представления информации и инструментария ее обработки предложен оригинальный способ формализованной записи данных в выделенных информационных множествах. Назначение формализованной записи заключается в обеспечении возможности применения математических операций и семантического анализа для автоматизации обработки информационного пространства. В соответствии со способом формальной записи информации разработана структура базы знаний и обеспечено ее наполнение.

Разработан оригинальный метод обработки формализованных данных, основывающийся на анализе РК. Сформулированы одиннадцать правил, отражающих суть разработанного метода. Результатом функционирования является последовательность ФЭЯ, представленная возможными комбинациями РК и обеспечивающая формализованное описание технологии преобразования входного воздействия в требуемый выходной эффект.

Разработан оригинальный алгоритм унификации структур вариантов проектируемого изделия на основе многомерной классификации множества объектов по всей совокупности их признаков. Особенностью ситуации, характерной для процесса формирования КТР, является поле качественных признаков. В результате определяется унифицированный вариант структуры проектируемого изделия, содержащий только необходимые свойства и элементы для реализации требуемой функции.

Разработан алгоритм параметрической оптимизации КТР, интегрирующий возможности метода покоординатного спуска с обучением и автоматизированное построение регрессивной модели КТР на основе планов регулярной структуры.

Определены требования к программной части ПАФКТР.

В третьем разделе сформулированы основные задачи, определены технические, программные средства и методы разработки программного обеспечения (ПО).

Сформированы состав ПАФКТР, назначение и структура взаимодействия программных модулей ПО (рисунок 6).

дмэ ОАЭ пэ

ом Пар

АРД РД

ПС ОА РД

п ЛрД д

Упрааляющий модуль

1г

!

Управление

Модуль формирования структуры системы «Объект - Среда обитания»

Модуль формирования внергосгруктуры

Модуль формирования структуры передачи

Модуль формирования структур организации объекта

Н1

Модуль формирования структуры связей объектов

Модуль анализа размерных комплексов

Управление / Формирование

Рисунок 6 - Структурная схема ПАФКТР

Разработаны программные модули, реализующие средства интерфейса пользователя и синхронизации их взаимного функционирования, обеспечения диалогового режима взаимодействия с пользователем, инструментарий построения информационных структур, методы формального представления и обработки информационных ресурсов.

Подсистема включает следующие программные модули:

- управляющий модуль - синхронизация функционирования программных модулей, управление проектом и базой знаний ПАФКТР;

- модуль определения структуры взаимодействия ТС и окружающей среды;

модуль формирования энергетической структуры;

- модуль формирования структуры объекта-передачи;

модуль построения структур организации проектируемой ТС - формирование информационного пространства, унификация структур вариантов ТС, оптимизация КТР;

- модуль графического отображения связей объектов - схематичное представление связей между элементами внутри системы О-СО и между элементами связанных систем О-СО;

- модуль анализа размерных комплексов - инструментарий обработки формализованной информации.

Сформирована база знаний ПАФКТР, программно реализован процесс управления базой знаний.

Описана идеология функционирования ПАФКТР и ее взаимодействия с пользователем. Определена динамика обработки информационных ресурсов пользователя и базы знаний ПАФКТР. Основные моменты взаимодействия разработанного ПО с пользователем проиллюстрированы рисунками 7, 8,9,10.

Исходная ситуация: имеется система двигателя внутреннего сгорания (ДВС как пример), представленная элементами, входящими в область решения проблемы (см. рисунок 7). Первый этап - создание нового проекта (см. рисунок 8).

В ходе решения задачи используется алгоритм формирования первичной структуры объекта-передачи (см. рисунок 9).

Рисунок 8 - Начало формирования проекта

Рисунок 9 - Формирование объекта-передачи

Одним из завершающих этапов является построение графического представления структуры связей определенных в задаче объектов (см. рисунок 10).

Рисунок 10 - Графическое представление структуры связей объектов

Программная реализация удовлетворяет весь комплекс приведенных выше требований к ПАФКТР.

В четвертом разделе приведено описание методики системной генерации информационного пространства, направленного построения и оценки потенциально реализуемых КТР, рассмотрены примеры практической реализации ПАФКТР.

Методика характеризуется следующими этапами.

I. Задача - цель построения системы. Содержание - формализация исходной цели. Инструменты - этапы формализации исходной цели. Результат - первичное описание области и направлений построения КТР.

II. Задача - определение типовой проблемной ситуации. Содержание - уточнение направлений решения задачи. Инструменты - анализ структур. Результат - полное описание ситуации.

штшштшвтюж*

1. Задача - обеспечить требуемый уровень управляемости системы.

2. Задача - обеспечить баланс энергетического взаимодействия в системе.

3. Задача - дифференциация воздействия на части системы.

4. Задача - организация сосредоточенного действия на части системы.

5. Задача - обеспечение разделения потоков полезного и негативного действия по составляющим.

6. Задача - интенсификация проявления свойств системы.

7. Задача - построение измерительной системы.

III. Задача - анализ ресурсного потенциала. Содержание - опре-

деление интенсивности использования имеющихся ресурсов. Корректировка распределения свойств по элементам системы. Инструменты - анализ размерностей, принципов действия, внешней и внутренней дифференциации свойств. Результат - перечень дополнительных ресурсов повышения качества системы. Рекомендации по обеспечению надежности функционирования системы.

IV. Задача - уточнение конструкции и ее корректировка. Содержание - окончательная корректировка конструкции системы и режимов функционирования. Инструменты - анализ принципов действия, внешней и внутренней дифференциации свойств. Результат - протокол, полное описание системы.

V. Задача - анализ хода решения задачи. Содержание - определение рациональной последовательности раскрытия исходной информационной неопределенности. Корректировка инструментов. Инструменты - протокол действия человека и машины. Результат - скорректированная последовательность действий по решению задачи.

Работоспособность ПАФКТР демонстрирует пример построения первичной структуры объекта-передачи - гидропневмоамортизатора (ГПА), обеспечивающего дифференциацию силовых действий на подвижные (ПЧ) и неподвижные части (НЧ).

В указанных условиях задача построения заключается в установлении принципа такой дифференциации и определении возможных конструктивных схем, его реализующих.

Выводы по анализу ситуации.

I. Инструмент должен работать под действием среды С5 (жидкости).

И. Следует использовать эффект дросселирования и управлять им за смет регулирования зазора истечения.

III. Движение проводника должно быть конечным.

IV. Поток среды С5 следует развернуть на угол более 90 градусов.

V. Энергию потока после срабатывания инструмента следует компенсировать (превратить в полезную работу).

Из представленного в работе множества схем реализации полученного решения в качестве базовой использована схема, приведенная на рисунке 11.

В качестве второго примера в работе рассмотрено решение проблемы увеличения силового воздействия на поршень четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), представленное в виде описания конструкции, полученное на основе метода анализа РК.

На основе полученных рекомендаций разработано несколько конструкций, один из вариантов которых показан на рисунке 12.

Дополнительный канал

Рисунок 11 - Схема ГПА

Выпускной »лиан 1

Вылусжой клапан 2 РаСсмий гершань

Впускной клапан 1

Рисунок 12 - Схема работы ДВС с дополнительным плавающим поршнем: а - зажигание в верхней камере сгорания; б - зажигание в нижней камере сгорания

Оптимизацией конструкции получены параметры и характеристики функционирования ДВС (рисунок 13).

/, см

Рабочий поршень

у, см/с

О № 1*В 1Я0

5Ж ЖС

р, кг/см1

!,мс

Рисунок 13 - Перемещение (а), скорости (б) поршней и суммарное давление (в) на рабочий поршень

Результаты внедрения разработанной диалоговой ГТАФКТР в производственный процесс свидетельствуют о возможности повышения его эффективности, сокращения сроков разработки и обеспечения высокого качества изделий машиностроения.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В рамках проведенной работы получены следующие основные результаты:

1. Организационно-технологические возможности современных систем автоматизации недоступны на начальных этапах разработки изделий машиностроения - построения КТР, что обусловлено отсутствием формализмов системной генерации информационного пространства, недостаточностью совокупности и потенциала инструментов управления процессом формирования КТР.

2. Разработана методика системной генерации информационного пространства, направленного построения и оценки потенциально реализуемых КТР, регламентирующая использование информационных ресурсов и инструментов их обработки.

3. Разработан инструментальный аппарат формирования КТР, реализующий оригинальные методы и алгоритмы анализа и построения структуры взаимодействия ТС с окружающей средой, формирования поля допустимых КТР на основе комбинаций размерных комплексов, определения предметной области и формирования первичной структуры и описания объекта-передачи.

4. Разработан инструментальный аппарат инженерного анализа КТР, включающий алгоритм унификации множества вариантов структур КТР и алгоритм параметрической оптимизации вариантов КТР.

5. Создана подсистема автоматизации формирования КТР изделий машиностроения, ориентированная на включение в единый комплекс систем разработки и производства изделий машиностроения (САПР, АСУ, АСУПТ, АСУ ! 1111 и др.) в их современном представлении.

Основные публикации по теме диссертации

1. Черемшанов, М. А. Методы и «интеллектуальные системы» поддержки принятия решений / М. А. Черемшанов. - М. : ВИНИТИ, 2003. - Деп. рукопись. - 10 с.

2.Черемшанов, М. А. Система гибкого поиска технико-технологических решений / М. А. Черемшанов // Актуальные проблемы науки и образования: тр. Междунар. юбилейного симп.: т. 2. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003. - С. 457-459.

3. Черемшанов, М. А. Проектный потенциал размерного анализа / М. А. Черемшанов, Ю. А. Дьячков // Сб. тезисов десятой Всерос. науч. конф. студентов-физиков и молодых ученых: т. 2. - Екатеринбург- Красноярск : Изд-во АСФ России, 2004. - С. 1065-1067.

4. Дьячков, Ю. А. Интеллектуальные системы поддержки принятия решений /' Ю. А. Дьячков, М. А. Черемшанов // Новые промыш- « ленные технологии. - М.: ЦНИЛОТ, 2004. - № 2. - С. 54-58.

5. Черемшанов, М. А. Организация базы знаний системы формирования технико-технологических решений / М. А. Черемшанов // Актуальные проблемы науки в России: Межвуз. науч.-практ. конф. -Кузнецк: КИИУТ, 2004.

6. Черемшанов, М. А. Инструментальное обеспечение формирования технико-технологических решений в автоматизированном режиме / М. А. Черемшанов // Материалы и технологии XXI века: сб. статей III Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : ПДЗ, 2005. -С.182-185.

7. Черемшанов, М. А. Автоматизация задач построения технических систем на этапе формирования технико-технологических решений / М. А. Черемшанов // Проектирование колесных машин: тр. Междунар. симп., посвященного 175-летию МГТУ им. Н. Э. Баумана. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. - С. 278-284.

8. Дьячков, Ю. А. Анализ размерностей - формализм описания технологии преобразования энергетических потоков технической системы / Ю. А. Дьячков, А. В. Бабиченко, М. А. Черемшанов. - М. : ВИНИТИ, 2005. - Деп. рукопись. - 14 с.

9. Черемшанов, М. А. Концептуализация базы знаний интеллектуальной системы поддержки принятия решений / М. А. Черемшанов // г Современные тенденции транспортного машиностроения: сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф? / под ред.: И. И. Артёмова, Е. А. Чуфи-

стова. - Пенза : ПДЗ, 2005.

10. Черемшанов, М. А. Методы и технологии автоматизации процесса формирования новых технико-технологических решений / М. А. Черемшанов // Повышение эффективности использования ав-

тотракторной и сельскохозяйственной техники: Межвуз. сб. науч. тр. XVI региональной науч.-практ. конф. вузов Поволжья и Предура-. лья. - Пенза : РИО ПГСХА, 2005. - С. 162-164.

11. Черемшанов, М. А. Организация пространства поиска технико-технологических решений / М. А. Черемшанов, Ю. А. Дьячков // Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники: Межвуз. сб. науч. тр. XVI региональной науч.-практ. конф. вузов Поволжья и Предуралья. - Пенза : РИО ПГСХА, 2005. - С. 158-162.

Черемшанов Михаил Александрович

Автоматизация процесса формирования конструкторско-технологических решений изделий машиностроения

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (машиностроение)

Редактор Т. Н. Судовчихина Технический редактор Н. А. Выыкова

Корректор Ж. А. Лубенцова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

ИД № 06494 от 26.12.01

Сдано в производство 16.11.2005. Формат 60x84'/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 716. Тираж 100.

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40.

»26346

РНБ Русский фонд

2006-4 28618

Введение.

1 Анализ методов и технологий построения конструкторско-технологических решений.

1.1 Локализация области применения.

1.2 Закономерности построения технических систем.

1.3 Методы поиска новых технических решений.

1.3.1 Классификация методов поиска новых технических решений.

1.3.2 Характеристика поисковых стратегий.

1.3.3 Эффективность методов поиска новых технических решений.

1.4 Интеллектуальные системы автоматизации и поддержки принятия решений %

1.5 Система «человек-машина» автоматизации формирования конструкторско-технологических решений изделий машиностроения.

1.6 Задачи исследования.

Выводы.

2 Разработка инструментально-методического аппарата формализации процесса формирования конструкторско-технологических решений.

2.1 Структурная область эволюции систем.

2.1.1 Типы объектов и их свойства.

2.1.2 Структура системы.

2.1.3 Неопределенность задач построения систем.

Ф 2.1.4 Закономерности функционирования и развития технических систем.

2.1.5 Критерии завершенности построения систем.

2.2 Инструментальные возможности анализа системы «Объект — Среда обитания».

2.2.1 Информационная структура системы «Объект - Среда обитания».

2.2.2 Формирование структуры действия объекта.

2.2.3 Формирование структуры свойств среды обитания объекта.

2.2.4 Структура защиты объекта.

2.3 Формирование энергетической структуры объекта.

2.4 Формирование первичной структуры объекта-передач и.

2.5 Структура управления функционированием объекта.

2.6 Модель информационного пространства конструкторско-технологических А решений.

2.6.1 Полиструктурность и полиморфизм информационного пространства.

2.6.2 Принципы информационной организации структур системы.

2.7 Формальная структура представления информации.

2.7.1 Унификация представления свойств элементов технической системы

2.7.2 Метод анализа комбинаций размерных комплексов.

2.7.3 Формализм записи базы знаний подсистемы автоматизации формирования конструкторско-технологических решений.

2.8 Методика унификации структур вариантов проектируемого изделия.

2.8.1 Обоснование необходимости унификации.

2.8.2 Алгоритм унификации множества вариантов структур конструкторскотехнологических решений.

2.9 Алгоритм параметрической оптимизации вариантов конструкторско-технологических решений.

2.10 Подсистема автоматизации формирования конструкторскотехнологических решений.

Выводы.

3 Программная реализация подсистемы автоматизации формирования конструкторско-технологических решений.

3.1 Системная интеграция разрабатываемого программного обеспечения.

3.2 Формирование структуры программных модулей системы формирования конструкторско-технологических решений.

3.2.1 Организация системы автоматизации формирования конструкторскотехнологических решений.

3.2.2 Управляющий модуль.

3.2.3 Реализация инструментария определения структуры системы «Объект — Среда обитания».

3.2.4 Реализация алгоритма формирования энергетической структуры объекта

3.2.5 Реализация алгоритма формирования первичной структуры объекта-передачи.

3.2.6 Модуль анализа размерных комплексов.

3.2.7 Реализация механизма построения структур проектируемого объекта

3.2.8 Построение структуры связей объектов.

3.3 Динамика обработки информационных ресурсов программных модулей. 120 Выводы.

4 Методика системной генерации информационного пространства, направленного формирования и оценки потенциально реализуемых конструкторско-технологических решений и примеры ее реализации.

4.1 Содержание методики.

4.2 Формирование конструкторско-технологического решения гидропневмоамортизатора.

4.3 Формирование конструкторско-технологического решения четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с дополнительным плавающим поршнем.

Выводы.

В основу организации разработки изделия машиностроения в ГОСТ Р 15.000-94 - «Система разработки и постановки продукции на производство. Основные положения» положены принципы целенаправленного и комплексного охвата видов выполняемых работ на стадиях жизненного цикла продукции и модульный принцип обеспечения организационно-технического механизма взаимоотношений субъектов хозяйственной деятельности. Реализация первого принципа, предполагающего интеграцию содержаний видов работ по этапам жизненного цикла изделия машиностроения, в полной мере становится возможной на основе современных возможностей, характеризующихся прогрессирующим объединением в целостный комплекс систем, ранее адаптированных к решению специфичных задач каждого из этапов (САПР, АСУ, АСУТП, АСУГТ, АСТГТП и т.д.). Примерами такой интеграции являются современные системы SolidWorks, Pro-Engineer, CATIA, AutoCad, t-flex, Компас и другие, обеспечивающие построение конструкторско-технологических решений (КТР), проведение всей совокупности инженерных расчетов (ИР), подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ, управление технологическими процессами производства, а также документальное сопровождение изделия на всех этапах его жизненного цикла. Такие возможности обеспечиваются построением систем в виде базового ядра, снабженного интегрированными с ним подсистемами-модулями специального назначения (к примеру, последние версии SolidWorks имеют более 200 подобных подсистем-модулей). Высокое качество управления всей технологией разработки изделия в таких системах обеспечивается конвертируемостью форматов представления данных (обеспечение совместимости разработок) и, главное, обеспечением корпоративного доступа к процессу специалистов-разработчиков всех профильных направлений (обеспечение системности, оперативности и гибкости процесса). Это приводит к существенному сокращению длительности разработки изделий машиностроения при одновременном обеспечении требуемых качественных характеристик.

Известно, что значительная доля (до 40%) брака изделий машиностроения связана с ошибками этап формирования КТР (на этап непосредственного производства приходится до 20% брака). Одной из причин такого положения является невозможность использования организационно-технологического потенциала современных систем автоматизации на этом этапе, обусловленная отсутствием формализмов системной генерации информационного пространства и недостаточной разработанностью инструментов управления процессом формирования КТР.

Таким образом, разработка системного инструментально-методического комплекса, обеспечивающего автоматизацию процессов формирования КТР, являющегося подсистемой интегрированной совокупности систем разработки и производства изделий машиностроения в свете требований ГОСТ Р 15.000-94, представляется актуальной задачей.

Исходя из приведенного обоснования актуальности проведения исследований, цель работы заключается в расширении возможностей современных интегрированных систем автоматизации разработки и производства изделий машиностроения посредством формирования подсистемы генерации информационного пространства и инструментального обеспечения построения и оценки КТР.

В качестве объекта исследования рассматривается совокупность процессов, определяющих этап построения КТР.

Предметом исследования является инструментальное и методическое обеспечение автоматизации процесса построения КТР.

Выводы

Разработана методика системной генерации информационного пространства, направленного формирования и оценки потенциально реализуемых конструкторско-технологических решений изделий машиностроения, регламентирующая использование информационных ресурсов и инструментов их обработки, обобщающая приемы использования разработанного инструментально-методического комплекса и его программной реализации. Основным назначением разработанной методики является организация проблемной ситуации, ее структуризация и мобилизации всех имеющихся средств ПАФКТР и интеллектуальных способностей человека.

На примере использования алгоритма формирования первичной структуры объекта передачи решена задача построения КТР ГПА. Оценка полученных результатов свидетельствует о работоспособности разработанного алгоритма и его самодостаточности (алгоритм можно использовать в качестве отдельного инструмента) и возможности технической реализации сформированного КТР.

В результате применения разработанного инструментально-методического комплекса и методики системной генерации информационного пространства для решения задачи увеличения силового воздействия на поршень ДВС получено описание конструкции ДВС с плавающим поршнем. Путем оптимизации вариантов построенных КТР выбрано решение схематически представленное на рисунке 4.10. Проведена оценка полученного решения путем построения динамической модели процесса, протекающего в камерах сгорания. Полученные зависимости (рисунок 4.11) демонстрируют наличие эффекта увеличения силового воздействия на рабочий поршень, что доказывает работоспособность описанной конструкции.

Внедрение ПАФКТР в производственный процесс, решение реальных задач и оценка полученных результатов свидетельствуют о: - работоспособности ПАФКТР; возможности ее интеграции в современные системы автоматизации разработки и производства изделий машиностроения с целью снижения дифференциации уровней автоматизации на различных этапах жизненного цикла изделия; повышении эффективности процесса формирования КТР за счет снижении временных затрат, гарантированного получения решения, накопления открытой базы знаний и ее использования в учебно-методических целях.

Заключение

Основными результатами анализа современного состояния проблемы автоматизации технологических процессов и производства изделий машиностроения являются следующие выводы.

1. В результате анализа этапов жизненного цикла изделий машиностроения, выявлен класс задач (построения КТР, в том числе, изделий машиностроения), процесс решения которых до настоящего времени является неавтоматизированным в силу специфичности применяемого инструментария.

2. Основными ограничениями инструментария решения подобных задач являются: отсутствие базы формализованной информации и инструментов ее автоматизированной обработки; доминирование алгоритмизированных процедур над творческим потенциалом пользователя; отсутствие объективных критериев отбора лучших вариантов; недостаточная автоматизация процесса решения задач в силу отсутствия конкретных механизмов, аппаратных средств и информационного обеспечения построения разветвленных и иерархически структурированных функциональных систем в интеллектуальных машинах.

3. Организационно-технологические возможности современных систем автоматизации недоступны в процессе формировании КТР изделий машиностроения, что обусловлено отсутствием формализмов системной генерации информационного пространства, недостаточностью совокупности и потенциала инструментов управления процессом формирования КТР.

На основе результатов проведенных исследований сформулированы основные задачи диссертационной работы:

- Проектирование инструментария обработки информационных ресурсов.

- Анализ и формализация знаний, используемых при формировании КТР.

- Разработка структуры базы знаний ПАФКТР.

- Формирование динамики обработки информационных ресурсов ПАФКТР.

- Реализация программной части ПАФКТР.

- Проверка работоспособности ПАФКТР.

В рамках проведенной работы получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика системной генерации информационного пространства, направленного построения и оценки потенциально реализуемых КТР, регламентирующая использование информационных ресурсов и инструментов их обработки.

2. Разработан инструментальный аппарат формирования КТР, реализующий оригинальные методы и алгоритмы анализа и построения структуры взаимодействия ТС с окружающей средой, формирования поля допустимых КТР на основе комбинаций размерных комплексов, определения предметной области и формирования первичной структуры и описания объекта-передачи.

3. Разработан инструментальный аппарат инженерного анализа КТР, включающий алгоритм унификации множества вариантов структур КТР и алгоритм параметрической оптимизации вариантов КТР.

4. Создана подсистема автоматизации формирования КТР изделий машиностроения, ориентированная на включение в единый комплекс систем разработки и производства изделий машиностроения (САПР, АСУ, АСУПТ, АСУТПП и др.) в их современном представлении.

5. Проведены решения задач реальной практики:

- Сформировано КТР ГПА, особенностью которого является возможность управления рабочим телом - жидкостью для получения неравномерного распределения усилий (увеличение действия на подвижные части и уменьшение на неподвижные.).

- Сформировано КТР ДВС с плавающим поршнем. Разработанная конструкция позволяет управлять запоршневым пространством (первой камерой сгорания), что приводит к увеличению силового воздействия на рабочий поршень.

Внедрение ПАФКТР в производственный процесс, решение реальных задач и оценка полученных результатов свидетельствуют о:

- работоспособности ПАФКТР;

- возможности ее интеграции в современные системы автоматизации разработки и производства изделий машиностроения с целью снижения дифференциации уровней автоматизации на различных этапах жизненного цикла изделия;

- повышении эффективности процесса формирования КТР за счет снижении временных затрат, гарантированного получения решения, накопления открытой базы знаний и ее использования в учебно-методических целях.

1. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении. / Под общ. ред. Ю.М. Соломенцева, В.Г. Митрофанова. М.: Машиностроение, 1986. -256 е.; ил.

2. Автоматизация процессов машиностроения: Учеб. пособие для машиностр. спец. Вузов / Я. Буда, В. Гановски, B.C. Вихман и др.; Под ред. А.И. Дащенко. М.: Высш. шк., 1991.-480 е.: ил.

3. Автоматизация поискового конструирования./Под ред. А. И. Половинкина. -М.: Радио и связь, 1981.-344 с.

4. Автоматы. Сборник статей под ред. Шеннона К. Э. и Маккарти Дж. М.: Издательство иностранной литературы, 1956.

5. Александров Е. А. Основы теории эвристических решений. М.: Сов. Радио, 1975.

6. Александров JI.B., Блинников В.И., Карпова Н.Н. Матрицы в изобретательском творчестве. М.: ВНИИПИ, 1990. - 112 с.

7. Альтшуллер Г. С. Алгоритм изобретения. М.: Московский рабочий. 1969.-272с.

8. Альтшуллер Г.С. Найти идею. Новосибирск: Наука, 1986.- 110 с.

9. Анохин П. К. Философские аспекты теории функциональной системы. — М.: Наука, 1978.

10. Арайс Е. А., Дмитриев В. М. Моделирование неоднородных цепей и систем на ЭВМ. М.: Радио и связь, 1982.

11. Арайс Е. А., Дмитриев В. М. Автоматизация моделирования многосвязных механических систем. М.: Машиностроение, 1987.

12. Аоки М. Введение в методы оптимизации. Пер. с англ. М.: Наука, 1977, 344с.

13. Балашов Е. П. Эволюционный синтез систем. М.: Радио и связь, 1985, 328 е., ил.

14. Банди Б. Методы оптимизации. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1988. 128 с.

15. Банди Б. Основы линейного программирования. Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1989. 176 с.

16. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования. М.: Советское радио, 1975. - 216 с.

17. Бойко В. В., Савинков В. М. Проектирование информационной базы автоматизированной системы на основе СУБД. М.: Финансы и статистика, 1982 г.

18. Большая медицинская энциклопедия. Т2 / Редкол. : Б. В. Петровский (гл. ред.) и др. 3-е изд. - М.: Советская энциклопедия, 1975.

19. Бородастов Г.В., Альтшуллер Г.С. Теория и практика решения изобретательских задач. М.: ЦНИИатоминформ, 1980,

20. Буш Г. Я. Рождение изобретательских идей. Рига: Лиесма, 1972. - 126 с.

21. Буш Г .Я. Методогогические основы управления изобретательством. Рига: Лиесма, 1974. 167 с.

22. Буш Г.Я. Эвристическая функция аналогии в науке и технике. Киев: Знание, 1978.

23. Буш Г.Я. Методы технического творчества. Рига: Лиесма, 1972. - 94 с.

24. Буш Г.Я. Аналогия и техническое творчество. Рига: Лиесма, 1979. - 126 с.

25. Буш Г.Я. Тезаурусы изобретательских идей. В кн.: Методы выбора и оптимизации проектных решений /Гос. ун-т. - Горький, 1977, с. 145 - 152.

26. Вагнер Г. Основы исследования операций. Том 2. Пер. с англ. М.: Мир, 1973.

27. Веников В. А. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1976.

28. Волкевич Л.И. и др. Комплексная автоматизация производства. М.: машиностроение, 1983. - 269 е., ил.

29. Волков Б.Н., Кремянский В.Я. Унификация деталей машин. — М.: Издательство стандартов, 1989 г. 229 с.

30. Вольвачев Р.Т. Элементы математической логики и теории множеств: Учеб. пособие для мат. спец. вузов. Мн.: изд-во "Университетское", 1986. - 112 с.

31. Вычислительные методы выбора оптимальных проектных решений / Под ред. В.С.Михалевича. Киев: Наукова думка, 1977. - 178 с.34.35,36,37,38