автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Методы и алгоритмы автоматизации разработки конструкторской документации на изделия приборостроения

На правах рукописи

Сумцов Андрей Владимирович

Методы и алгоритмы автоматизации разработки конструкторской документации на изделия приборостроения

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (приборостроение)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Санкт-Петербург — 2013

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Гатчин Юрий Арменакович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Дёмин Анатолий Владимирович, НИУ ИТМО

кандидат технических наук, доцент, Климанов Виталий Александрович ОАО «Силовые машины».

ФГУП «СПб ОКБ «Электроавтоматика» им. П. А. Ефимова».

Ведущая организация:

Защита состоится 23 декабря 2013 г. в 15:50 на заседании диссертационного совета Д 212.227.05 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики, расположенном по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр.. д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО.

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Учёный секретарь диссертационного совета, к. т. н., доцент

Поляков В. И.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Высокие темпы развития различных производственных фер и уровень конкуренции между предприятиями-изготовителями обуславливают еобходимость повышения сложности разрабатываемых изделий при условии сохра-1ения высокого уровня их качества. Кроме того, должна обеспечиваться минимизация грудоемкости процессов проектирования и разработки конструкторской документации (КД) на выпускаемые изделия. Для выполнения обозначенных условий и требо-аний широко применяются технологии CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle upport — непрерывного сопровождения и поддержки жизненного цикла изделий) ли ИПИ — информационной поддержки изделий, обеспечивающие интеграцию всех анных об изделии в едином информационном пространстве, использование которых арантирует возможность своевременного и санкционированного доступа к требуе-ой информации из любой точки доступа компьютерной вычислительной сети.

Постоянное изменение конфигурации изделия, многопользовательское редакти-ование его компонентов и, в особенности, необходимость восстановления любого из редыдущих состояний его структуры, обуславливают требование непрерывного на-<опления информации обо всех модификациях любой из его составляющих. Так, при несении изменений в структуру, первоначальная копия обычно не модифицируется, место этого создается новая версия, основанная на первоначальной, и изменения носятся в эту новую версию.

Таким образом, на протяжении всего жизненного цикла изделия происходит на-опление большого объема информации, организация которой является крайне важ-юй и сложной задачей. Указанная задача решается посредством систем управления роектными данными PDM (Product Data Management). С помощью PDM-систем беспечивается доступ к данным об изделии по различным атрибутам и навигация о его иерархической структуре, а также поддерживаются информационные связи 1ежду компонентами изделия и описывающей их документацией.

К числу основных функций PDM-систем относится структурирование данных об зделии — представление его в виде объектов, атрибутов и связей. Они составляют шектронную структуру изделия (ЭСИ). Все связи в ЭСИ являются направленными и бразуют дерево, форма которого удобна для восприятия человеком и внесения изме-leinra: для добавления и удаления объектов-узлов, их перемещения, а также опреде-ения новых связей между ними.

В соответствии с ГОСТ 2.053, ЭСИ представляют в виде ориентированного ацик-ического графа, вершины которого соответствуют компонентам, а дуги, соединяю-ие вершины, связям между компонентами, определяющим конструкцию изделия, днако, существует ряд изделий, для описания структуры которых недостаточно од-ого классического типа связей. К таким изделиям могут быть отнесены комплекты, 1 к ним не применимы методы формирования классической ЭСИ, а значит, остаются ^решенными задачи накопления, структурирования и последующего использования анных об изделии.

Можно предположить, что указанные задачи могут быть решены разработкой но-ой базы данных и необходимых управляющих процедур. Однако такой подход ведет

к увеличению многообразия форм хранения данных и, следовательно, к несовмести мости работающих на их основе САПР. Поэтому предлагается разработать новы Г метод формирования электронной структуры таких изделий как комплекты. Посколь ку ЭСИ — это стандартизованная форма хранения данных об изделии, такой подхо обеспечит возможность управления ими посредством инструментов PDM-систем ! использования автоматизированных средств их обработки (в частности, систем авто матизированной разработки документации).

Вопросы представления данных о сложных изделиях обсуждаются в трудах рос сийского учёного Норенкова И. П. Им описываются алгоритмы, методы и средств PDM-систем, которые позволяют решать данную задачу. Из зарубежных авторов, ра ботающих по тому же направлению, следует отметить признанного шведского уче ного, Аниту Пэшон-Даликвист (Annita Persson-Dahlqvist), занимающуюся вопросам управления данными промышленных изделий. В её работах освещаются особенност описания отношений между компонентами изделия и методы формирования структу ры на различных этапах его жизненного цикла: конструирование, производство и т. п Из работ российских и зарубежных ученых следует, что классическая ЭСИ определяет информацию о входимости' ее элементов в соответствии с конструкцией. Однак для компонентов таких изделий как комплекты, определены цели их эксплуатацион ного применения, зависимость с которыми выражается отношением другого вида. Рассмотрим особенности электронной структуры комплектов.

Согласно ГОСТ 2.101, комплектом является два и более изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющих набо изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера. Из определения следует, что структура комплекта описывается двумя типами связей:

1) классической связью, определяющей конструкцию изделия;

2) связью, отражающей общее эксплуатационное назначение изделий, входящих в состав комплекта.

Например, каждое устройство комплекта измерительной аппаратуры предназначено для обслуживания одного или нескольких приборов. Однако прибор не может быть связан с измерительным устройством связью классического типа, поскольку не является частью его конструкции. Следовательно, для описания общего эксплуатационного назначения изделий комплекта аппаратуры посредством ЭСИ целесообразно использовать понятие целевой связи, описывающей отношение, в котором один объект ЭСИ Целевой) является целью эксплуатационного применения другого.

Использование нового типа отношений в ЭСИ позволит автоматизировать разработку документации для целого ряда изделий, компоненты которых требуют спецификации цели их применения. Данная задача является актуальной в силу того, что гю мере внедрения CALS-технологий в производственный цикл предприятий, прослеживается тенденция повышения сложности изделий. При этом обязательным условием поддержания высокой конкурентоспособности остается адаптивность к условиям заказчика. Следовательно, возникает необходимость в совершенствовании изделий, что ведет к постоянном выпуску новой и корректировке существующей документации.

' Согласно ГОСТ 2.053, понятие, характеризующее использование составных частей изделия в составе конечного изделия или/и его составных частей.

ти процессы должны происходить быстро и качественно, чтобы своевременно обес-ечивать производство и заказчика актуальной информацией.

Для выполнения обозначенных требований в современные системы автоматизи-ованного проектирования (САПР) интегрированы инструменты, позволяющие синить трудоёмкость разработки некоторых топов текстовой и графической КД посред-твом обработки данных, содержащихся в ЭСИ. Но для того, чтобы автоматизировать юдготовку документации на такие изделия как комплекты, необходимо разработать овые методы формирования и представления их электронной структуры, а также ормализовать алгоритм!,I, которые бы позволили правильно и эффективно её анали-ировать и использовать.

Важность создания новых методов и алгоритмов автоматизации разработки до-ументации подтверждается широкой областью применения таких изделий как ком-лекты. К примеру, автоматизация проектирования комплектов запасных частей, ин-трументов и принадлежностей (ЗИП) является актуальной задачей не только для риборостроения, но и для других отраслей, в которых надежность оборудования яв-тяется приоритетным требованием: военно-промышленный комплекс, судостроение, виакосмическая промышленность, электроэнергетика.

Необходимость в автоматизации процессов разработки КД подтверждается сле-

ющими сложностями ручного способа её подготовки:

— ручной ввод текста сопряжен с возникновением ошибок (опечатки, пропущенные фрагменты и т. п.);

— с ростом номенклатуры компонентов изделия увеличивается трудоемкость ручного контроля комплексности внесения изменений в документацию;

— использование программ, совмещающих ввод содержания с оформлением, является причиной возможного нарушения единообразия внешнего вида однотипной документации и, как следствие, причиной несоответствия вида публикаций действующим стандартам.

ростом сложности изделий перечисленные недостатки ручного способа оформле-ия ведут к стремительному ухудшению качества разрабатываемых документов, что, оотвстственно, увеличивает последующие затраты на их корректировку.

Новые алгоритмы разработки документации позволяют обеспечить:

— использование централизованного хранилища РОМ-системы для постоянного накопления данных о целевых связях;

— безошибочность воспроизведения дублирующихся данных;

— комплексность и точность внесения изменений в документацию;

— единообразие и соответствие внешнего вида документов действующим стандартам;

— поиск аналогичных изделий с целью применения имеющейся информации в новых разработках;

— комплексную интеграцию процесса подготовки документов с РВМ-системами.

Таким образом, тема диссертационной работы, посвященная исследованию и

формализации методов и алгоритмов автоматизации разработки КД на изделия приборостроения, является актуальной.

Целью диссертационной работы является формализация и исследование методов и алгоритмов автоматизации процесса разработки КД на изделия приборостроения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ методов и алгоритмов, применяемых в современных САПР изделий приборостроения для решения задач формирования КД.

2. Провести анализ процесса разработки документации на примере комплектов, необходимый для формализации процесса их документирования в виде алгоритма.

3. Разработать методы формирования и представления ЭСИ, содержащей целевые связи.

4. Разработать алгоритмы поиска аналогичных изделий, электронная структура которых содержит целевые связи.

5. Формализовать алгоритм автоматизированной разработки КД на изделия, электронная структура которых содержит целевые связи.

6. Реализовать разработанные методы и алгоритмы в виде программного обеспечения.

Предметом исследования является процесс разработки средств автоматизированного документирования изделий приборостроения.

Методы исследования. Для достижения поставленных задач использовались теории множеств, матриц, графов и методология унифицированного процесса. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложены новые методы формирования и представления ЭСИ на изделия, электронная структура которых содержит целевые связи.

2. Предложен алгоритм поиска аналогов, позволяющий сократить трудоемкость разработки новых изделий посредством анализа информации о целевых связях.

3. Формализован алгоритм разработки КД на изделия приборостроения, электронная структура которых содержит целевые связи.

4. Разработана объектно-ориентированная модель предложенных алгоритмов, ко торая позволяет автоматизировать процесс их реализации в виде программног обеспечения.

Практическая значимость диссертационной работы характеризуется внедрени ем её результатов в производственный процесс предприятия ОАО «Концерн «ДНЮ «Электроприбор», а также в учебный процесс Национального исследовательског университета информационных технологий, механики и оптики. Эффективность про граммы заключается в следующем:

— снижена доля низкоквалифицированного труда в процессе разработки КД, свя занного с рутинными операциями копирования фрагментов данных;

— примененные в программе методы формирования ЭСИ и алгоритмы позволил сократить трудоемкость проектирования изделий в 4 раза;

— минимизирован риск совершения ошибок ручного набора данных, возникаю щих вследствие проявления человеческого фактора.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. Методы формирования и представления ЭСИ, содержащей целевые связи.

2. Алгоритм формирования КД на изделия, электронная структура которых содержит целевые связи.

3. Алгоритм поиска аналогичных изделий, электронная структура которых содержит целевые связи.

Практические и теоретические результаты прошли апробацию в виде обсуждения на конференциях регионального и всероссийского уровня:

1. XII, XIII, XIV конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением» (ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2010, 2011, 2012 гг.),

2. Всероссийская научно-техническая конференция аспирантов, студентов и молодых ученых «Информатика и вычислительная техника» ИВТ-2010, ИВТ-2011 (УлГТУ, 2010, 2011 гг.);

3. VIII всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (СПб ГУ ИТМО 2011 г.);

4. I всероссийский конгресс молодых ученых (СПб НИУ ИТМО, 2012 г.);

5. XL, XLI, XLII научная и учебно-методическая конференция (СПб ГУ ИТМО, 2011 г., СПб НИУ ИТМО, 2012, 2013 гг.);

По результатам доклада, представленного на XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», состоявшейся в 2010 г., исследования по теме диссертации поддержаны грантом, реализованным в рамках программы «У.М.Н.И.К.».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Материалы изложены на 142 страницах машинописного текста с поясняющими рисунками и таблицами.

Содержание работы

Во введении приведены требования к организации информации в сфере приборостроения и методы их обеспечения. Показана значимость работ по развитию САПР. Для комплексного понимания тенденций их развития приведён краткий исторический обзор становления индустрии автоматизированных систем. Рассмотрены преимущества внедрения на предприятиях CALS-технологий. Определено место систем автоматизации разработки КД в производственном цикле современных предприятий. В конце раздела приведено обоснование актуальности проводимого исследования.

В первой главе приведён обзор современных САПР и анализ методов и алгоритмов, используемых в них для подготовки КД. Выявлены основные проблемы процесса проектирования сложных изделий приборостроения, которые могут быть решены посредством применения новых методов описания их электронной структуры. Отмечены следующие особенности существующих решений в части автоматизированной подготовки КД:

1) представление данных об изделии в виде его электронной структуры;

2) интеграция с PDM-системой;

3) возможность расширения функциональности формирования КД;

4) возможность поиска аналогичных изделий.

С учетом указанных особенностей проведен анализ методов и алгоритмов раз работки документации следующих систем: CATIA, Creo Elements, NX, T-Flex DOCs Inventor, SolidWorks, ADEM, AVS.

В результате анализа была составлена таблица оценок функциональности рас смотренных САПР (табл. 1) и сделаны следующие выводы. Системы оснащены сред ствами автоматизации разработки КД различного содержания. Одни из них позво ляют формировать спецификации и ведомости, другие — дополнительные конструк торские документы. В частности, наиболее функциональная система T-Flex DOCs имеет гибкий механизм формирования документации по пользовательским сценари ям. Но методы и алгоритмы, заложенные в основу инструментов документировани во всех рассмотренных САПР, используют в качестве информационной базы ЭСИ классическом представлении.

Связи между компонентами изделий и объектами, не являющимися частью и конструкции, но определяющие цель их применения, такой ЭСИ не описываются, и как следствие, не могут быть учтены при автоматизации разработки документаци на такие изделия, как комплекты. В рассмотренных САПР также отсутствуют ин струменты поиска аналогов для указанных видов изделий, которые необходимы д снижения трудоемкости проектирования новых разработок.

Таблица 1. Результаты сравнительного анализа функциональности САПР по установленным критериян

сл и (Л

о

Q Í-. О

— S £ <

ш 00 Г2 Н

с > "о <

< < и

с о

о Щ

о

> £ X и 2

с

Учет логических связей 4 0004000

Внедрение бланков 3 3330000

Номенклатура документации 2 2220000

Оформление по российским стандартам 1 1110 10 0

Итог 10 6 6 6 4 1 0 0

В соответствии с результатами анализа современных САПР, поставлена цель 1 сформулированы основные задачи проводимого исследования.

Во второй главе приводятся особенности данных, описывающих комплекты аналогичные им изделия. Излагаются проблемы представления их структуры и огш сываются методы их решения.

В результате анализа процесса проектирования изделий на примере нескольки видов комплектов выявлена следующая основная особенность их структуры: комио ыенты характеризуются общим эксплуатационным назначением. Для последующе4 формализации алгоритма автоматизации их документирования данная особенность должна быть учтена, а отношения с целями применения компонентов представлены в РЭМ-системе в виде ЭСИ. Таким образом, показана необходимость внедрения новы

методов формирования и представления ЭСИ, содержащей целевые связи.

Для представления нелевых связей в ЭСИ, проведен анализ существующих подходов описания данных об изделии, используемых в современных РЭМ-системах. Выявлено, что структура изделия может быть представлена в виде дерева. Его начальный узел описывает само изделие; его дочерние узлы отражают сборочные единицы, '-етали и прочие компоненты, из которых оно состоит. Каждый объект структуры опи-ывается набором атрибутов, среди которых обозначение, наименование, версию и диницу измерения можно выделить как основные. Отношения между компонентами зделия отражают дуги графа. Структура изделия формируется исходя из информа-ии о входимости одного компонента в другой. Связи между компонентами также огут быть описаны атрибутами, основным из которых является количество.

Результаты анализа также находят подтверждение в работах ученого Анигы Пэ-он-Даликвист, упоминавшейся ранее. Таким образом, следует вывод о том, что по-редством РОМ-систем или интегрируемых САПР формируется классическая ЭСИ, которой отношениями между элементами отражают конструкцию изделия. При этом остается неразрешенным вопрос описания целевых связей, отражающих цель ксплуатационного применения компонентов.

Далее, на примере двух видов комплектов поясним понятие целевой связи. Пер-ый из них — комплект кабельных частей соединителей (КЧС). Комплект КЧС — это совокупность соединителей, предназначенных для проведения электромонтажа определенного прибора на объекте. Т. е. каждый соединитель комплекта имеет цель своего рименения — прибор. Причём отношение между прибором и соединителем невоз-ожно описать классической связью, т. к. иначе данная связь будет указывать на то, гго прибор является частью конструкции соединителя, что является ошибкой.

Классическая форма электронной структуры комплекта КЧС, представленная в иде графа, приведена на рис. 1а. Граф ЭСИ, содержащей целевые связи, приведен а рис. 16. В последнем случае структура комплекта описывается более полно, поскольку учитываются отношения соединителей с целевыми приборами.

Изделие Б

-» Комплект КЧС

-» Соед. 1 (XI) Соед. 2 (ХЗ) -» Соед. 3 (XI) 1-» Соед. 4 (Х5)

[-» Прибор 1 Прибор 2

Изделие Б

-»Комплект КЧС

-»Соед. 1 (XI)-— -»Соед. 2 (ХЗ) — -»Соед. 3 (XI)—-Соед. 4 (Х5)---,

Н» Прибор 1 •-»Прибор 1-^-С.

а) б)

Рис. 1. Пример представления электронной структуры комплекта КЧС

Отсутствие метода формирования электронной структуры комплекта КЧС, со-ержащей целевые связи, существенно затрудняет поиск соединителей, применявшихся ранее для электромонтажа определенного прибора. Указанный поиск аналога позволил бы существенно сократить трудоёмкость разработки новых изделий.

Второй пример, который показывает необходимость включения целевых связей в ЭСИ, — комплект ЗИП. Его назначение — обеспечение требуемого уровня надежности аппаратуры, посредством её комплектования запасными частями, инструментами и другим имуществом, необходимым для обслуживания и технического ремонта. Особенности транспортирования и эксплуатации комплекта ЗИП обуславливаю необходимость размещения его компонентов внутри упаковок и укладочных средств.

Запасные части, инструменты и принадлежности определяют состав комплект ЗИП, и их принадлежность комплекту может быть представлена классической ЭС (рис. 2а). Однако, цель применения укладочного средства или упаковки (укладка компонента) может быть описана в ЭСИ только посредством целевой связи (рис. 26), поскольку сам компонент не является частью конструкции ни одного из них.

Изделие В *-» Комплект ЗИП

-» Запасная часть 1 -»Запасная часть 2 -»Запасная часть 3 -»Упаковка

"-»Укладочное средство а)

Рис. 2. Пример представления

Изделие В Ц Комплект ЗИП

-»Запасная часть 1--------;

-»Запасная часть 2-.......|

-» Запасная часть 3-—. ;

-»Упаковка<.........; !

'-»Укладочное средство^--'

б)

структуры комплекта ЗИП

Внедрение целевых связей в электронную структуру комплекта ЗИП делает возможным автоматизацию разработки на него КД, а также поиск подходящих укладочных средств и упаковок для сокращения трудоёмкости составления схем укладки компонентов для новых разработок.

Формализация алгоритмов, основанных на анализе информации о целевых связях, осуществляется на примере процесса проектирования комплекта ЗИП с учётом результатов его сравнения с процессами проектирования других видов изделий. Разнообразие используемых в структуре объектов, особенности эксплуатации и многообразие форм документов обусловили выбор комплекта ЗИП в качестве основы для анализа.

Для выбора средства моделирования алгоритмов проведен обзор следующих методологий: структурного анализа и проектирования (SADT); функционального моделирования и графической нотации IDEF0; объектно-ориентированного анализа и проектирования; языка UML. В качестве основного инструмента систематизации сведений и моделирования алгоритмов выбран UML (англ. Unified Modeling Language — унифицированный язык моделирования), а в качестве основной методики анализа этих сведений — унифицированный процесс.

Для обеспечения возможности исследования и контроля процесса автоматизированной разработки документации была составлена математическая модель. В её основу заложена количественная зависимость между разрабатываемыми на изделие документами и атрибутами, описывающими его компоненты и целевые объекты. Математическая модель процесса автоматизированной разработки документации на из-

делие Р представляется кортежем вида:

Р =< О, А, М > .

О является упорядоченным множество документов, разрабатываемых на изделие Р:

0 = (£)1,£>2,...,1>(/),Л:йГ= 1.2.....N.

Для формирования каждого вида документа применяется шаблон, в котором воспроизводятся значения различных атрибутов. Атрибуты описывают объекты двух типов: компоненты изделия и целевые объекты и определены кортежем А, который состоит из двух упорядоченных подмножеств:

А =< АР, Ас >

Аг - подмножество атрибутов компонентов изделия.

Лр = (Ая!,АР2,...,АяД 5:5=

Ад — подмножество атрибутов целевых объектов, описывающих изделие.

Ас = (Ас,, Асг.....Ас;,), А : Л = 1,2,..., N.

М — кортеж, состоящий из матриц, количественно связывающих атрибуты и документы, формируемые на изделие Р.

М =< Мр, Мс >,

Матрица Мр отражает связь между атрибутом компонента изделия (столбец) и документом (строка), при формировании которого он воспроизводится >~ч количество раз. На пересечении строки и столбца, соответственно, указывается произведение г:] и количества компонентов изделия п:

трил = гц ■ п,

где I = 1,2,... ,ё\ ] = 1,2,..., 5 — индексы элементов матрицы; г,у — это число копий значения атрибута компонента в документе; п — количество компонентов изделия.

Ма — матрица связи, отражающая количественную зависимость между каждым атрибутом целевого объекта и документом, для формирования которого используется его значение. Строки матрицы соответствуют документам, а столбцы — атрибутам целевых объектов.

На пересечении строки и столбца, по аналогии с матрицей Мр, указывается количество копий значения атрибута целевого объекта /,_,, умноженное на количество целевых объектов ¿>:

тот = 1ч ' Я.

где г = 1,2, ...,£/; у - 1,2,..., /г — индексы элементов матрицы; /„ — это число копий значения атрибута целевого объекта в документе; » — количество целевых объектов, используемых в изделии.

Приведенная математическая модель используется для решения следующих задач:

1. Контроля правильности и полноты описания шаблонов документов атрибутами из кортежа А.

2. Для оценки степени готовности документов к публикации.

3. Оценки объема и трудоёмкости корректировки документации.

4. Оценки степени сокращения рутинного труда по копированию данных.

В третьей главе приведены методы формирования и представления ЭСИ, содержащей целевые связи. Проводится анализ процессов подготовки документации на некоторые виды изделий, требующих указания функционального назначения компонентов, таких как комплект ЗИП, комплект КЧС. На основе результатов анализа формализованы и представлены алгоритмы поиска аналогичных изделий и автоматизации разработки КД. Описание алгоритмов выполнялось в нотации языка иМЬ по методике унифицированного процесса. Приводятся диаграммы, описывающие требования к алгоритмам и решаемые ими задачи, структуру и функции объектов, а также их взаимодействие, реализующее решение поставленных задач.

Как упоминалось ранее, в РОМ-системах для представления данных об изделии используются объекты, атрибуты и связи, которые образуют ЭСИ. Метод формирования ЭСИ, описываемой связями классического типа, включает:

— выбор объектов структуры;

— указание направленных связей между ними согласно конструкции изделия;

— задание значений для атрибутов объектов и связей.

На основе указанного метода, используемого в современных РОМ-системах, разработан новый метод формирования ЭСИ, содержащей целевые связи. Для его формализации рассмотрим возможные варианты отношений между компонентами изделий и целевыми объектами, определяющими их эксплуатационное назначение (рис. 3).

фп ^п Ц|т

I Л У х

а) б) в) г)

Рис. 3. Возможные варианты целевых связей между компонентами изделия и целевыми объектами к, I, т, п — количество элементов отношения.

1. Один или несколько одинаковых компонентов связаны с одним или несколькими одинаковыми целевыми объектами (рис. За). Например, монтажное приспособление предназначено для сопряжения двух одинаковых приборов.

2. Один или несколько одинаковых компонентов связаны с несколькими различными целевыми объектами (рис. 36). Например, один кронштейн предназначен для крепления двух различных устройств.

3. Несколько различных компонентов связаны с одним или несколькими одинаковыми целевыми объектами (рис. Зв). Например, четыре одинаковых детали предназначены для крепления одного прибора.

4. Несколько различных компонентов связаны с несколькими различными целевыми объектами (рис. Зг). Например, комплект, состоящий из нескольких различных инструментов, предназначен для ремонта двух различных приборов.

Отметим, что для описания приведенных вариантов отношений средствами РОМ-системы в форме ЭСИ, вводится элемент группы — промежуточный узел между компонентом и целевым объектом, связанный с ними целевыми связями. Такой узел в РОМ-системе является вспомогательным объектом и используется для решения прикладных задач построения ЭСИ. Для указания количества компонентов, участвующих в отношении, в РОМ-системе для связей, соединяющих компоненты с элементом группы, задаётся значение атрибута «количество». Для указания количества объектов, определяющих эксплуатационное назначение компонентов, значение аналогичному атрибуту присваивается для связей, соединяющих элемент группы с целевыми объектами.

Далее опишем метод, позволяющий средствами РЭМ-системы сформировать ЭСИ для приведенных вариантов отношений:

1. Определит!) новый тип связи: «целевая» (в случае отсутствия таковой).

2. Выбрать набор объектов РОМ-системы, для которых требуется определить эксплуатационное назначение.

3. Создал, элемент группы для группировки объектов отношения.

4. Для каждого из исходных объектов, выбранных на шаге 2, установить связь типа «целевая», выбрав его в качестве родительского элемента отношения, а созданный на шаге 3 элемент группы — в качестве дочернего.

5. Для каждой из установленных на шаге 4 связей задать значение атрибута «количество».

6. Установить связи типа «целевая» между элементом группы, выбрав его в качестве родительского, и каждым из требуемых целевых объектов РЮМ-системы, выбрав их в качестве дочерних элементов отношений.

7. Для каждой из установленных на шаге 6 связей задать значение атрибута «количество».

Поскольку предложенный метод предназначен для использования в РОМ-системах, представление ЭСИ может производиться штатными средствами визуализации, а вывод осуществляться в форме многоуровневого списка или иерархической структуры (дерева). Но если информация о структуре изделия, содержащей целевые связи, выводится посредством интегрируемых с РОМ-систсмой приложений, необходимы данные о типе каждого узла и каждой дуги графа, представляющего новую форму структуры. А именно, должен быт формализован метод, определяющий типы всех используемых объектов и связей, и реализующий их визуализацию.

Для определения типов объектов примем во внимание, что в РВМ-системе элементы структуры и направленные связи между ними образуют, в общем случае, ориентированный ациклический граф, в котором для узла допустимы несколько входящих дуг. При визуализации ориентированный ациклический граф преобразуется в дерево (рис. 4а), более удобное для восприятия человеком. При этом каждый узел указанного дерева допускает ровно одну входящую дугу. Поэтому описываемый метод определен именно для формы ЭСИ, представленной в форме дерева.

Рис. 4. Графическое представление ЭСИ, содержащей связи только классического (а); классического и целевого типа (5)

Для удобства последующего применения метода, опишем представляющий ЭСИ . граф в виде матрицы типов дуг Ми, которая определит типы всех связей (классические и целевые), составляющих структуру. Каждый элемент данной матрицы, по аналогии с матрицей смежности, указывает на смежность пронумерованных вершин; причём, единица указывает на то, что вершины соединены дугой, соответствующей связи классического типа, а двойка — целевого типа. На рис. 5 изображена матрица типов дуг для графа, приведённого на рис. 46:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

1 0 1 1 2 0 0 0 г\ 0 0 0 0

2 0 0 0 о 1 2 0 0 0 0 0 0 0

3 0 с 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0

4 Г} А 0 о 0 о 2 0 0 0 о 0

5 0 А 0 0 о 0 г> 0 0 0 0 о 0

_ 6 0 0 0 0 0 0 п 0 2 о 0 0 0

7 0 0 0 0 с 0 0 о о 2 2 0 0

8 0 0 и 0 0 0 0 0 о 0 (1 2 о

9 ¡3 с ¡3 0 0 о 0 0 0 о 0 0

10 0 о 0 о 0 0 0 0 о о 0 о 0

11 0 0 и 0 0 0 0 0 0 Гі 0 о 0

12 0 0 0 с 0 0 0 0 0 0 ГІ Л 2

13 0 0 0 о 0 0 и 0 0 0 0 0 0

Рис. 5. Матрица типов дуг

Для описания метода представления ЭСИ, содержащей целевые связи, в дополнение к матрице типов дуг, необходимо формализовать способ определения типов объектов. В РВМ-системе в классической электронной структуре, отражающей конструкцию изделия, могут использоваться объекты двух типов: «составная часть» и «вспомогательный объект» (иногда называемый фантомным). На рис. 4а и 46 составные части обозначены закрашенными узлами, а вспомогательные объекты - незакрашенными.

В ЭСИ, содержащей целевые связи, используются элементы трёх типов: компонент изделия, целевой объект и элемент группы целевых объектов. Определим типы объектов набором условий, для проверки которых используются данные о типах объектов классической ЭСИ из РВМ-системы и сформированной ранее матрицы Ми'-

1. Для компонента изделия допустима одна входящая дуга, соответствующая классическому типу связи; на выходящие ограничений не накладывается.

2. Для целевого объекта допустима одна входящая дуга, соответствующая связи целевого типа; на выходящие — ограничений не накладывается. При этом объект PDM-системы, которому соответствует текущий узел формируемой структуры, должен принадлежать типу «составная часть».

3. Для элемента группы допустимы: одна входящая и одна или более выходящих дуг, отражающих связи только целевого типа. При этом объект PDM-системы, которому соответствует текущий узел формируемой структуры, должен принадлежать типу «вспомогательный».

На основе анализа матрицы типов дуг Мц и приведенных выше условий строится вектор типов объектов Мот, каждый элемент которого указывает на тип используемого в структуре объекта, причём порядковый номер элемента в векторе соответствует номеру узла дерева.

Мот = (1,1,1,3,1,3,3,2,2,2,2,3,2),

где 1 — соответствует компоненту изделия; 2 — целевому объекту; 3 — элементу группы целевых объектов.

Итак метод представления ЭСИ, содержащей целевые связи, заключается в следующем:

1. Получить из PDM-системы данные об изделии: идентификатор каждого объекта электронной структуры, его тип, информацию об установленных между объектами связях, тип каждой связи.

2. На основе информации о связях и объектах, полученной на шаге 1, построить матрицу типов дуг Mit графа, соответствующего структуре изделия.

3. На основе информации о типах объектов, их идентификаторах (полученных на шаге 1) и на основе матрицы MLJ (сформированной на шаге 2), построить вектор типов объектов Мот-

4. Задать условно-графическое обозначение (УГО) для каждого типа связи и типа объекта.

5. Для каждого объекта изобразить УГО, соотнесенное с его типом; тип объекта определяется соответствующим элементом вектора Мот-

6. Между объектами изобразить отношения, используя для них УГО, соответствующее заданному в матрице Ми типу связи.

Дерево, построенное посредством предложенного метода, изображено на рис. 6. В нём узлами являются пиктограммы, которые представляют объекты в соответствии с их типом, а дуги — линиями, стиль которых отражает типы установленных между ними связей.

Для снижения трудоёмкости проектирования изделий приборостроения был формализован алгоритм поиска аналогов, который решает задачу отыскания в PDM-системе такого изделия, в структуру которого входит максимальное число объектов из набора исходных данных, причём в структуре указанные объекты являются целевыми. При поиске учитываются следующие ограничения:

Рис. 6. Графическое представление ЭСИ, содержащей связи целевого типа Ф — компонент изделия; — целевой объект; — элемент группы целевых объектов; -9- — связь классического типа; -------> — связь целевого типа.

1. Высота дерева, соответствующего структуре изделия в РОМ-системе, в виде диапазона от к до /, где к определяет минимальное число последовательных дуг ветви, а / — максимальное. к,1 : к = 1,2,..., Ы, I = 1,2, Отметим, что узел, соответствующий в РОМ-системе вспомогательному объекту (элемент группы) не учитывается при подсчёте высоты.

2. Вид изделия, соответствующего объекту электронной структуры. Данное ограничение проверяется по коду классификационной характеристики, который однозначно определяет вид изделия в соответствии с классификатором единой системы конструкторской документации.

В ходе исполнения алгоритма можно выделить следующие основные задачи:

1. В РОМ-системе производится поиск изделий, в структуре которых исходные объекты являются целевыми.

2. Для каждого из найденных изделий вычисляется количество включенных в его структуру исходных целевых объектов(рис. 7а).

3. Для одного из найденных изделий копируются данные его электронной структуры и применяются к объектам разработки (рис. 76).

Если при обходе дерева на указанном диапазоне высот не будет найдено изделия тре-

Рис. 7. Структуры найденных аналогов (а) и разрабатываемого изделия после копирования данных (б)

буемого вида, то анализ текущего пути прерывается. Поэтому на рис. 7а присутствуют свободные «ветви». Далее проведем более подробный анализ структурной схемы алгоритма (рис. 8). Основной частью исходных данных является перечень объектов

а)

б)

РЭМ-системы, которые в контексте будущей структуры разрабатываемого изделия относятся к типу целевых.

На первом шаге пользователем через интерфейс определяются следующие обязательные параметры поиска:

1) диапазон допустимых высот дерева, отражающего электронную структуру искомого изделия;

2) тип объекта, которому в графе может соответствовать начальная вершина;

3) типы объектов, которым в графе могут соответствовать дочерние узлы.

К необязательным параметрам может относится, например, контекст (информационная область) РПМ-системы, в котором будет производиться поиск.

Рис. 8. Структурная схема алгоритма поиска аналогичного изделия

На втором шаге производится рекурсивный анализ изделий, в структуру которых исходные объекты включены посредством связей целевого типа. Поиск производится на такую глубину, чтобы длина анализируемого пути графа, отражающего структуру изделия, находилась в диапазоне высот, указанном на шаге 1. Кроме того, переход по дуге от текущего объекта к смежному происходит только в том случае, если тип этого смежного объекта находится в перечне допустимых, заданных также на шаге определения параметров поиска. В ходе анализа для каждого найденного изделия, вычисляется критерий для последующей сортировки перечня аналогов.

Если в результате анализа не было найдено аналогичных изделий, поток управления перенаправляется либо к шагу определения параметров поиска для его последующего повторения, либо завершается. В случае, если аналоги найдены, происходит сортировка их перечня по критерию, отражающему для каждого из них количество исходных целевых объектов, включенных в структуру.

Далее упорядоченный перечень представляется пользователю. Если ни один из найденных вариантов не устраивает пользователя, то он либо повторяет поиск с другими параметрами, либо завершает его. В том случае, если пользователя устраивает один из аналогов, он указывает на него через интерфейс, и тем самым отдаёт команду на копирование данных.

На следующем шаге в буфер (локальную память вычислительной машины) копируются данные о структуре выбранного аналогичного изделия, причём часть исходных целевых объектов включается в эту структуру. Таким образом, снижается трудоёмкость проектирования нового изделия. После копирования данных, в атрибуте объекта, соответствующего разрабатываемому изделию, на примененный аналог сохраняется ссылка для облегчения последующего поиска.

Проиллюстрируем необходимость поиска аналогичных изделий на примере процесса проектирования комплекта КЧС. Исходной информацией для проектирования комплекта, является перечень приборов на объекте, требующих проведения электромонтажа, и перечень необходимых для этой задачи соединителей. Если для некоторых исходных приборов ранее разрабатывался аналогичный комплект, данные о целевых связях между такими приборами и соединителями, находятся в РОМ-систсме. Поэтому для снижения трудоёмкости проектирования нового комплекта производится поиск такого аналога по предложенному алгоритму.

Целевыми объектами являются исходные приборы. Максимальное и минимальное значения высоты дерева искомого изделия, в соответствии со структурой комплекта КЧС, совпадают и равны двойке: первая дуга — связь целевого типа между прибором и соединителем, вторая — связь классического типа между соединителем и изделием вида «комплект КЧС». Вид изделия, как упоминалось ранее, определяется по коду классификационной характеристики его обозначения, которая вводится пользователем в качестве параметра поиска через интерфейс.

Если поиск результативен, пользователь указывает один из аналогов для копирования данных. В этом случае, для части исходных приборов проектируемого изделия будут установлены целевые связи с соединителями, которые, в свою очередь, будут соотнесены с изделием (начальным узлом дерева) связями классического типа. Таким образом, необходимость в ручном установлении связей для части исходных объектов исчезает, следовательно, снижается трудоёмкость проектирования.

Для построения алгоритма автоматизации разработки документации на изделия приборостроения, электронная структура которых содержит целевые связи, проведён анализ процессов проектирования нескольких видов комплектов. Выявлены их основные этапы и особенности, связанные со спецификацией целевых связей, устанавливаемых между компонентами изделия и объектами, определяющими их эксплуатационное применение. По результатам анализа построена структурная схема алгоритма (рис. 9).

Основной задачей, решаемой представленным алгоритмом, является автоматизация разработки КД на основе данных об изделии, которые на этапе проектирования и подготовки документации записываются в буфер. Часть данных может быть скопирована из аналогичного изделия, если таковое будет найдено в системе РОМ. В том случае, если пользователь отказывается от поиска аналога, то такие задачи как клас-

сификация компонентов, определение объектов и связей, а также задание значений для их атрибутов производится пользователем самостоятельно: либо вручную, либо с использованием автоматизированных средств. На основе введенной информации и шаблонов оформления, описанных на XML, формируются публикации документов на изделие в желаемом формате: PDF, Word и т. п. После того как документы будут сформированы, они, наряду с электронной структурой, отправляются из буфера в PDM-систему, и становятся доступными для общего пользования.

Особенностями представленного алгоритма, по сравнению с классическими алгоритмами публикации документов на основе шаблонов и информации из ЭСИ, являются:

— формирование ЭСИ, содержащей целевые связи, посредством разработанных методов; при этом обеспечивается совместимость интегрируемых с PDM-систе-мой приложений за счёт использования стандартизованного формата хранения данных;

— снижение трудоёмкости проектирования изделий посредством описанного ранее алгоритма поиска аналогов, структура которых содержит целевые связи;

— возможность использования при формировании документации информации о целевых связях, описывающих эксплуатационное назначение компонентов изделия.

Рис. 9. Структурная схема алгоритма автоматизации разработки документации

На первом шаге алгоритма вводятся общие данные об изделии, такие как обозначение, наименование, первичная применяемость и др. На втором шаге определяется перечень изделий, которые для в контексте разработки являются целевыми объектами. Перечень формируется следующим образом. В многострочном текстовом поле

для каждого объекта в отдельной строке набираются фрагменты обозначения и наименования. Далее каждая строка преобразуется в запрос на поиск соответствующего изделия в РЭМ-системе. Если изделие найдено, оно добавляется в буфер в виде объекта, если нет — то пользователь переопределяет неудачный запрос или удаляет его.

Далее на основе перечня исходных целевых объектов в буфере формируется структура разрабатываемого изделия. Часть данных для этой структуры, с целью снижения трудоемкости, может быть заимствована из аналогичного изделия, поиск которого производится посредством описанного ранее алгоритма. В общем же случае структура формируется пользователем (вручную или с использованием автоматизированных средств) в три шага.

Первый шаг — классификация компонентов, которая необходима ввиду того, что в документации на изделия приборостроения данные о составе, с целью выполнения требований ГОСТ, могут быть представлены с учётом типов его компонентов. На текущем шаге определяются классификационные группы, идентификаторы которых назначаются атрибутам объектов, соответствующих компонентам изделия. Значения указанных атрибутов учитываются при формировании документации в том случае, когда данные об объектах каждого типа необходимо вывести в отдельном документе или по разделам. Для снижения трудоёмкости данного этапа может использоваться метод автоматизированной классификации, основанный на анализе кода классификационной характеристики изделия. Вид изделия определяется на основе значений кодов по единому классификатору единой системы конструкторской документации.

На следующем шаге формирования структуры пользователем между компонентами изделия устанавливаются связи двух типов: классические и целевые. Определение связей целевого типа производится предложенным в работе методом, описанным на стр. 13. На следующем шаге происходит определение значений атрибутов области метаданных объектов и связей, которые указаны в математической модели. По мере добавления объектов и связей, а также заполнения их области метаданных, в любой момент времени на основе математической модели процесса документирования изделия, описанной ранее, может быть вычислена степень готовности документов к публикации.

Когда все необходимые для формирования ЭСИ данные введены в буфер, пользователь даёт команду на публикацию документов. По этой команде запускается проверка переменных данных, используемых в шаблонах. Если хотя бы одной переменной присвоено неудовлетворительное значение, поток управления алгоритма перенаправляется на этап формирования структуры для её доопределения. Если проверка шаблонов даёт положительный результат, производится формирование публикаций на основе находящихся в буфере данных о структуре изделия.

На последнем этапе данные из буфера преобразуются в ХМЬ-запрос и отправляются в РОМ-систему. Указанный запрос обрабатывается специализированным модулем интеграции и ретранслируется на языке стандартных процедур управления данными об изделии, в результате чего в РБМ-системе создается ЭСИ. Сформированные документы также отправляются в РИМ-систему и привязываются к элементам структуры.

Предложенные алгоритмы были формализованы в нотации иМЬ в виде диа-

грамм, отражающих различные аспекты автоматизируемых процессов. иМЬ-модель позволила решить следующие задачи:

1. Выработать требования к алгоритмам и реализующему их программному обеспечению. Результатом данного этапа является модель требований.

2. Обозначить основные задачи, решаемые посредством алгоритмизации, а также выявить перечень «участников» и задействованных систем. Результат данного этапа — модель вариантов использования алгоритмов и системы (модель прецедентов).

3. Описать алгоритмы в статическом аспекте: в виде диаграммы классов анализа, в которой представлены внутренняя структура объектов и выполняемые ими функции (рис. 10).

4. Описать динамический аспект алгоритмов в виде диаграмм деятельности, отражающих общую структуру потока управления, и диаграмм последовательности, которые описывают, каким образом объекты, представленные в диаграмме классов, взаимодействуют между собой во времени с целью решения определенных ранее задач.

В четвертой главе описываются принципы организации информации об изделии в РОМ-системе. В частности приводится способ идентификации информационной единицы ЭСИ, излагается процедура обмена информацией с РОМ-системой посредством передачи данных в структурированном виде по каналам связи.

Приводится и обосновывается схема расположения программной системы на физических узлах. Схема представлена в нотации иМЬ в виде диаграммы развертывания, разработка которой, кроме описания физического расположения компонентов, позволила выявить риски снижения производительности на этапе проектирования и представить физические связи между компонентами системы на этапе ее внедрения.

Описываются средства, реализующие при исполнении разработанных алгоритмов эффективное взаимодействие «человек-машина». В частности описываются подходы, применяемые для ускорения ввода перечня целевых объектов и одновременного снижения риска возникновения ошибок человеческого фактора. Рассматривается графический интерфейс внедренной программы автоматизации разработки КД на комплект КЧС. Реализация и внедрение методов и алгоритмов, позволяющих автоматизировать процесс разработки документации на изделия приборостроения, подтверждает научную состоятельность и практическую значимость выполненного исследования.

В заключении приведены результаты диссертационной работы, среди которых:

1. Результаты анализа современных методов и алгоритмов, применяемых в САПР изделий приборостроения для автоматизации разработки КД.

2. Методы формирования и представления ЭСИ, содержащей целевые связи.

3. Алгоритм поиска аналогичных изделий, структура которых содержит целевые связи.

4. Алгоритм автоматизированной разработки КД на изделия приборостроения, содержащие целевые связи.

5. Объектно-ориентированная модель предложенных алгоритмов, автоматизирующая процесс их реализации в виде программного обеспечения.

6. Программа автоматизации разработки КД на комплекты КЧС.

Документация

Шаблон

Документ

-лубликоватьЛи -шаблон -форматПубл -перечЗаписей -перечПзрам

+«онцевПримен()

■жазнШаблон()

+лубликоватъ()

*добавПарам()

+получДоступнШабл()

-перечПерем

+заполненЛи()

■нірисвЗначПерем()

+лолучПереч(1ерем()

«control» ИнспекторЗаписейДокум

+добавить()

+удалить()

•чіереопредО

«control» Документовед

-перечДокум

■добавить() ;+удалить() ■добавКПубликации() ■получТиловыеПримеч()

«control» ИнспекторПарам

-геречПарам

+определить() +удал() +синхрЗнач() •►лолучЗнэчО

Рис. 10. Диаграмма классов анализа алгоритмов

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1- Сумцов А. В. Автоматизация процесса разработки комплектов конструкторской документации // Информатика и вычислительная техника: сборник научных трудов. - Ульяновск: УлГТУ, 2010. — С. 495-497.; 2. Сумцов А. В. Методы и алгоритмы автоматизации выпуска конструкторской

документации // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых. — 2011. - Выпуск 1. - С. 47-48;

3. Сумцов А. В. Подход к организации базы данных автоматизированной системы формирования документации // Информатика и вычислительная техника: сборник научных трудов. — Ульяновск: УлГТУ, 2011. — С. 543-545;

4. Баженов А. Г., Сумцов А. В. Опыт разработки технической документации по модульному принципу в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» // Навигация и управление движением — СПб.: Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2011. — С. 422^25;

5. А. В. Сумцов. Метод графического описания модели системы автоматизации // Сборник трудов молодых учёных, аспирантов и студентов научно-педагогической школы кафедры проектирования и безопасности компьютерных систем «Информационная безопасность, проектирование и технология элементов и узлов компьютерных систем». — 2011. — Ч. 2 — С. 5-7;

6. Сумцов А. В. Автоматизация процесса разработки комплектов конструкторской документации / Сумцов А. В., Черкас Д. А // Гироскопия и навигация. - 2010. - № 2 (69). - С. 102;

7. Сумцов А. В. Подходы к разработке системы автоматизированного выпуска текстовой конструкторской документации // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2012. — № 4 (80). — С 111-115;

8. Сумцов А. В. Сравнительный анализ элементов интерфейса и процедур обработки данных для системы автоматизированного формирования документации // Навигация и управление движением. — СПб.: Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2012. - С. 383-389;

9. Сумцов А. В. Методика и программная реализация ввода и обработки исходных данных для автоматизированной системы // Сборник трудов I Всероссийского конгресса молодых ученых. - СПб.: НИУ ИТМО, 2012. - С. 82-87.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении

«Университетские телекоммуникации»

197101, г. Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14.

Тел.: (812) 233-46-69, объем 1,0 п.л.

Тираж 100 экз.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

На правах рукописи

О 4 2 О1 4 5 2 2 3 3

Сумцов Андрей Владимирович

Методы и алгоритмы автоматизации разработки конструкторской документации на изделия приборостроения

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (приборостроение)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д. т. н., проф.

Гатчин Юрий Арменакович

Санкт-Петербург — 2013

Содержание

Введение..........................................................................................4

Глава 1. Обзор методов и алгоритмов автоматизации разработки конструкторской

документации, применяемых в современных САПР..................................13

1.1. Обзор современных САПР............................................................14

1.2. Анализ функциональности средств автоматизированного проектирования ... 27

1.3. Результаты анализа....................................................................29

1.4. Постановка задачи....................................................................30

1.5. Выводы к первой главе................................................................30

Глава 2. Математическая модель процесса автоматизированной разработки конструкторской документации ..............................................................31

2.1. Особенности структуры изделий приборостроения................................32

2.2. Требования к методам и алгоритмам................................................37

2.3. Требования к данным изделий приборостроения..................................39

2.4. Выбор средств для построения модели..............................................44

2.5. Математическая модель..............................................................50

2.6. Исследование алгоритмов и унифицированный процесс..........................56

2.7. Выводы ко второй главе..............................................................57

Глава 3. Методы и алгоритмы автоматизации разработки конструкторской документации ......................................................................................58

3.1. Метод формирования электронной структуры изделия............................58

3.2. Метод представления электронной структуры изделия............................63

3.3. Описание процесса разработки документации......................................66

3.4. Требования к алгоритмам............................................................69

3.5. Диаграммы вариантов использования................................................71

3.6. Объекты и классы предметной области..............................................83

3.7. Диаграммы последовательности и алгоритмы автоматизации разработки конструкторской документации..........................................................94

3.8. Выводы ................................................................................112

Глава 4. Реализация программного средства автоматизированной разработки кон-

структорской документации ..............................................................114

4.1. Взаимодействие с системой управления данными об изделии....................114

4.2. Развертывание системы ..............................................................117

4.3. Взаимодействие «человек-машина»..................................................119

4.4. Программа автоматизированной разработки документации ......................126

4.5. Результаты внедрения ................................................................129

Заключение......................................................................................131

Список обозначений............................................................................132

Словарь терминов..............................................................................134

Литература ......................................................................................135

Приложение А. Примеры публикаций ....................................................141

Введение

В основу деятельности большинства организаций заложена работа с данными: их получение, обработка, хранение; принятие решений на их основе или осуществление планирования. Информация — это сведения о лицах, фактах, событиях и явлениях, вне зависимости от формы их представления. Для организации деятельности человека особое значение имеют полнота, достоверность и своевременность ее получения [1].

По мнению ведущих мировых аналитиков, основными факторами успеха в современном промышленном производстве являются: сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение качества [2]. К числу наиболее эффективных средств, решающих указанные задачи, относятся системы автоматизированного проектирования (САПР), технологической подготовки производства, инженерного анализа [3]; а также другие виды автоматизированных систем[4]. Следует отметить, что САПР занимают исключительное положение среди других компьютерных средств повышения эффективности человеческой деятельности в силу того, что применяются непосредственно в сфере материального производства. Уровень развития и интеграции САПР в промышленности является одним из ключевых показателей степени экономического и технического развития государства.

Принято считать [5], что история развития САПР относится к шестидесятым годам XX века. Ее начало было положено первыми разработками доктора Патрика Хенретти (Dr. Patrick J. Hanratty). Выделены следующие основные этапы развития САПР:

1. В 60-е годы были получены результаты, позволяющие сделать вывод о том, что процессы проектирования поддаются автоматизации.

2. В 80-е появились первые автоматизированные системы широкого применения. Первоначально разработанные как «электронные кульманы», они быстро перерастали эти рамки, становясь трехмерными системами проектирования и моделирования.

3. В 90-е годы САПР становятся неотъемлемой частью производственного процесса на предприятиях всех отраслей промышленности. В этот же период они оснащаются графическим интерфейсом; появляются первые системы твердотельного моделирования — ACIS и Parasolid.

Дальнейшее развитие САПР характеризуется переходом от автоматизации отдельных производственных задач к комплексной автоматизации производственной деятельности предприятия в целом. Концепция комплексной автоматизации получила название Continuous Acquisition

and Lifecycle Support (англ.) — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла) [5].

Понятие жизненного цикла описывается международными стандартами серии ISO 9004 (управление качеством продукции). Жизненный цикл (или петля качества), согласно указанным стандартам, состоит из следующих этапов:

— маркетинг и изучение рынка;

— проектирование и разработка технических требований;

— материально-техническое снабжение производства;

— технологическая подготовка производства;

— производство;

— контроль и проведение испытаний;

— упаковка и хранение;

— реализация;

— монтаж и эксплуатация;

— техническая поддержка;

— утилизация [6].

CALS-технологии предполагают постоянную информационную поддержку на всех этапах жизненного цикла изделия, формирование единого информационного пространства предприятия, обеспечивают организацию работы специалистов с единой моделью данных. PLM (англ. Product Lifecycle Management — управление информацией об изделии на протяжении всего его жизненного цикла) и ERP (англ. Enterprise Resource Planning — управление ресурсами предприятия) являются составными частями CALS-технологии; их популярность стремительно увеличивается. [7, 8]

За время своего развития PLM-системы в части автоматизации производства приобрели следующие ключевые возможности:

1. Представление изделий произвольной сложности в виде электронной структуры.

2. Контроль версий любых сущностей, с которыми оперирует система: трехмерная модель, текстовый документ, изображение и пр.

3. Управление правами и полномочиями пользователей; их деление на группы (аналоги структурных подразделений предприятия).

4. Обеспечение организационно-распорядительной деятельности необходимыми инструментами и процессами: постановка задачи, формирование исполнительной и управляющей групп, спецификация сроков окончания проекта и т. п.

5. Организация процессов согласования документации с возможностью ее доработки по замечаниям.

Выделяют следующие преимущества применения компьютерных технологий в проектно-конструкторской сфере:

— оперативное и безошибочное воспроизведение информации в документации,

— использование готовых разработок при проектировании новых изделий,

— получение фотореалистичных графических изображений на основе трехмерной модели изделия,

— минимизация ошибок, имеющих природу человеческого фактора.

Компьютерная подготовка технической документации является функцией большинства современных автоматизированных систем. Для достижения устойчивости качества документации при увеличении её структурной сложности используется принцип единого источника данных. Его главная особенность заключается в централизованном хранении и изменении данных, которые могут многократно воспроизводится в различных формах.

Актуальность работы. Высокие темпы развития различных производственных сфер и уровень конкуренции между предприятиями-изготовителями обуславливают необходимость повышения сложности разрабатываемых изделий при условии сохранения высокого уровня их качества. Кроме того, должна обеспечиваться минимизация трудоемкости процессов проектирования и разработки конструкторской документации (КД) на выпускаемые изделия. Для выполнения обозначенных условий и требований широко применяются технологии CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support — непрерывного сопровождения и поддержки жизненного цикла изделий) или ИПИ — информационной поддержки изделий, обеспечивающие интеграцию всех данных об изделии в едином информационном пространстве, использование которых гарантирует возможность своевременного и санкционированного доступа к требуемой информации из любой точки доступа компьютерной вычислительной сети.

Постоянное изменение конфигурации изделия, многопользовательское редактирование его компонентов и, в особенности, необходимость восстановления любого из предыдущих состояний его структуры, обуславливают требование непрерывного накопления информации обо всех модификациях любой из его составляющих. Так, при внесении изменений в структуру, первоначальная копия обычно не модифицируется. Вместо этого создается новая версия, основанная на первоначальной, и изменения вносятся в эту новую версию.

Таким образом, на протяжении всего жизненного цикла изделия происходит накопление большого объема информации, организация которой является крайне важной и сложной

задачей. Указанная задача решается посредством систем управления проектными данными PDM (Product Data Management). С помощью PDM-систем обеспечивается доступ к данным об изделии по различным атрибутам и навигация по его иерархической структуре, а также поддерживаются информационные связи между компонентами изделия и описывающей их документацией.

К числу основных функций PDM-систем относится структурирование данных об изделии — представление его в виде объектов, атрибутов и связей. Они составляют электронную структуру изделия (ЭСИ). Все связи в ЭСИ являются направленными и образуют дерево, форма которого удобна для восприятия человеком и внесения изменений: для добавления и удаления объектов-узлов, их перемещения, а также определения новых связей между ними.

В соответствии с ГОСТ 2.053, ЭСИ представляют в виде ориентированного ациклического графа, вершины которого соответствуют компонентам, а дуги, соединяющие вершины, связям между компонентами, определяющим конструкцию изделия. Однако, существует ряд изделий, для описания структуры которых недостаточно одного классического типа связей. К таким изделиям могут быть отнесены комплекты, и к ним не применимы методы формирования классической ЭСИ, а значит, остаются нерешенными задачи накопления, структурирования и последующего использования данных об изделии.

Можно предположить, что указанные задачи могут быть решены разработкой новой базы данных и необходимых управляющих процедур. Однако такой подход ведет к увеличению многообразия форм хранения данных и, следовательно, к несовместимости работающих на их основе САПР. Поэтому предлагается разработать новый метод формирования электронной структуры таких изделий как комплекты. Поскольку ЭСИ — это стандартизованная форма хранения данных об изделии, такой подход обеспечит возможность управления ими посредством инструментов PDM-систем и использования автоматизированных средств их обработки (в частности, систем автоматизированной разработки документации).

Вопросы представления данных о сложных изделиях обсуждаются в трудах российского учёного Норенкова И. П. Им описываются алгоритмы, методы и средства PDM-систем, которые позволяют решать данную задачу. Из зарубежных авторов, работающих по тому же направлению, следует отметить признанного шведского ученого, Аниту Пэшон-Даликвист (Annita Persson-Dahlqvist), занимающуюся вопросами управления данными промышленных изделий. В её работах освещаются особенности описания отношений между компонентами изделия и методы формирования структуры на различных этапах его жизненного цикла: кон-

струирование, производство и т. п. Из работ российских и зарубежных ученых следует, что классическая ЭСИ определяет информацию о входимости1 ее элементов в соответствии с конструкцией. Однако для компонентов таких изделий как комплекты, определены цели их эксплуатационного применения, зависимость с которыми выражается отношением другого вида. Рассмотрим особенности электронной структуры комплектов.

Согласно ГОСТ 2.101, комплектом является два и более изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющих набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера. Из определения следует, что структура комплекта описывается двумя типами связей:

1) классической связью, определяющей конструкцию изделия;

2) связью, отражающей общее эксплуатационное назначение изделий, входящих в состав комплекта.

Например, каждое устройство комплекта измерительной аппаратуры предназначено для обслуживания одного или нескольких приборов. Однако прибор не может быть связан с измерительным устройством связью классического типа, поскольку не является частью его конструкции. Следовательно, для описания общего эксплуатационного назначения изделий комплекта аппаратуры посредством ЭСИ целесообразно использовать понятие целевой связи, описывающей отношение, в котором один объект ЭСИ (целевой) является целью эксплуатационного применения другого.

Использование нового типа отношений в ЭСИ позволит автоматизировать разработку документации для целого ряда изделий, компоненты которых требуют спецификации цели их применения. Данная задача является актуальной в силу того, что по мере внедрения САЬБ-технологий в производственный цикл предприятий, прослеживается тенденция повышения сложности изделий. При этом обязательным условием поддержания высокой конкурентоспособности остается адаптивность к условиям заказчика. Следовательно, возникает необходимость в совершенствовании изделий, что ведет к постоянном выпуску новой и корректировке существующей документации. Эти процессы должны происходить быстро и качественно, чтобы своевременно обеспечивать производство и заказчика актуальной информацией.

Для выполнения обозначенных требований в современные системы автоматизированного проектирования (САПР) интегрированы инструменты, позволяющие снизить трудоёмкость

1 Согласно ГОСТ 2.053, понятие, характеризующее использование составных частей изделия в составе конечного изделия или/и его составных частей.

разработки некоторых типов текстовой и графической КД посредством обработки данных, содержащихся в ЭСИ. Но для того, чтобы автоматизировать подготовку документации на такие изделия как комплекты, необходимо разработать новые методы формирования и представления их электронной структуры, а также формализовать алгоритмы, которые бы позволили правильно и эффективно её анализировать и использовать.

Важность создания новых методов и алгоритмов автоматизации разработки документации подтверждается широкой областью применения таких изделий как комплекты. К примеру, автоматизация проектирования комплектов запасных частей, инструментов и принадлежностей (ЗИП) является актуальной задачей не только для приборостроения, но и для других отраслей, в которых надежность оборудования является приоритетным требованием: военно-промышленный комплекс, судостроение, авиакосмическая промышленность, электроэнергетика.

Необходимость в автоматизации процессов разработки КД подтверждается следующими сложностями ручного способа её подготовки:

— ручной ввод текста сопряжен с возникновением ошибок (опечатки, пропущенные фрагменты и т. п.);

— с ростом номенклатуры компонентов изделия увеличивается трудоемкость ручного контроля комплексности внесения изменений в документацию;

— использование программ, совмещающих ввод содержания с оформлением, является причиной возможного нарушения единообразия внешнего вида однотипно�