автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Обеспечение технологичности конструкций изделий машиностроения по информационным моделям

005015878

На правах рукописи

ГОВОРКОВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ ПО ИНФОРМАЦИОННЫМ МОДЕЛЯМ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з ті

Иркутск-2012

005015878

Работа выполнена на кафедре «Самолётостроение и эксплуатация авиационной техники» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент кафедры самолетостроения и эксплуатации авиационной техники ИрГТУ Ахатов Рашид Хадиатович

доктор технических наук, профессор кафедры оборудования и автоматизации машиностроения ИрГТУ Кольцов Владимир Петрович

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технологии ремонта транспортных средств и материаловедения ИрГТУ Лившиц Александр Валерьевич

ОАО «Иркутский научно-исследовательский институт авиационных технологий и организации производства»

«24» мая 2012 года в 12 часов на заседании совета Д212.073.02 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал.

Защита состоится диссертационного

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», с авторефератом - на официальном сайте университета www.istu.edu

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, учёному секретарю диссертационного совета Д 212.073.02 В.М. Салову, e-mail: salov@istu.edu

Автореферат разослан

«20» апреля 2012 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета, канд. техн. наук, профессор

В.М. Салов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время обеспечение технологичности принято относить к наиболее трудноформализуемым задачам технологической подготовки производства. Для их решения нет достаточно разработанного математического аппарата, строгих формальных методик Результат решения в значительной мере зависит от опыта, знаний и творческой интуиции формирующих его специалистов.

Отработка изделия на технологичность - сложная задача, при решении которой конструктор должен не только обеспечить высокий технический уровень и эксплуатационные качества создаваемого изделия, но и в полной мере учесть требования производства, то есть обеспечить его производственную технологичность.

На практике процессы обеспечения технологичности конструкции изделия (ТКИ) могут быть решены с использованием систем геометрического моделирования. Применение этих систем неразрывно связано с современными информационными технологиями для интеграции процессов, выполняющихся в ходе всего жизненного цикла продукции и её компонентов. Поэтому очевидно, что обеспечение ТКИ, являясь одной из задач подготовки производства, должно также рассматриваться в контексте применения CALS технологий.

Неизбежно то, что на этапах конструкторско-технологической подготовки производства оценка достигнутых показателей технологичности в большинстве случаев носит лишь характер прогнозирования. Решению данной проблемы посвящены работы Максаковой E.H., Кульчева В.М., Прялина М.А., Аверченкова В.И. и др.

Разработка формализованных алгоритмов принятий решений на этапах конструкторско-технологического проектирования (анализ возможности применения высокопроизводительных процессов обработки и типовых технологических процессов (ТП), рациональный выбор вида заготовок, разработка маршрутных и операционных ТП и др.) посвящены работы Б.Е. Челищева, С.П. Митрофанова, Н.М. Капустина, B.JI. Михельсон-Ткача, В.В. Павлова и др.

В целом, несмотря на достаточно большое количество научных работ, рассматривающих различные подходы к формализации и автоматизации решения различных задач обеспечения ТКИ, до настоящего момента не разработано методик, математических моделей и алгоритмов, позволяющих поддерживать автоматизированный процесс обеспечения ТКИ на всех этапах подготовки производства.

Цель работы. Разработка формализованных процедур обеспечения технологичности конструкции изделий машиностроения в условиях применения интегрированных САПР, позволяющих снизить трудоёмкость и сократить длительность технологической подготовки производства и способствующих повышению качества проектных решений.

Объект исследования. Конструкции изделий машиностроения на этапе их проектирования и технологической подготовки производства.

Методы исследования. В качестве общей методологической основы использован системный подход, заключающийся в анализе закономерностей выбора методов изготовления отдельных конструктивных элементов изделия с учетом структуры этого изделия и состава объектов технологической системы. При выполнении работы использовались положения оценки технологичности изделий в машиностроении и самолётостроении, теории множеств, алгебры логики и аналитической геометрии, а также методов статистической оценки эмпирических данных об оценке технологичности конструкции изделий в машиностроении. При разработке указанных моделей и методов использовались средства CAD-системы Siemens PLM Software NX 7.5, система управления баз данных MySQL и среда программирования Java. Научная новизна

1. Создана информационная модель изделия на основе метода представления и анализа деталей по заданным показателям технологичности.

2. Созданы математические модели объектов производственной среды на основе продукционно-фреймовой структуры, применимые в системе анализа оценки технологичности изделия для выбора наиболее оптимального по совокупности условий конструктивного решения.

3. Разработан алгоритм комплексной оценки технологичности с использованием информационной модели.

Практическая ценность

1. Предложена информационная модель изделия и алгоритм анализа технологичности конструкции изделия с учетом заданных показателей технологичности, применимая в системах трехмерного моделирования.

2. Создана программная система, позволяющая посредством графического интерфейса вводить исходные параметры изделия, технологические показатели, редактировать и формировать типовые конструктивные решения и проводить технологический контроль.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Информационная модель изделия с минимальным количеством значимых параметров, необходимых для оценки технологичности изделия.

2. Математическая модель объектов производственной среды, представленные в виде продукционно-фреймовой структуры.

3. Алгоритм комплексной оценки технологичности с использованием информационной модели.

Достоверность: подтверждена воспроизводимостью экспериментальных и производственных испытаний. Обоснованность выводов подтверждается опытом практической реализации результатов исследования в производстве.

Реализация работы. Диссертационная работа выполнена в рамках НИР: № МС-21/ИТ-09/06 «Оптимизация моделирования конструктивных элементов и типов механообрабатываемых деталей, применяемых в конструкции ЛА, для конструирования самолета МС-21» (20.03.2009 - 20.11.2009 гг.), № 143/10 «Разработка классификатора конструктивных элементов сборочной оснастки для определения норм времени при конструкторском и технологическом проектировании» (11.05.2010 - 31.12.2010 гг.), № МС-21/7 «Разработка критериев и методики оценки конструкции ЛА самолета МС-21 на технологичность», выполненных для ОАО «Корпорация «Иркут» (01.05.2010 -31.12.2010 гг.), а также № 334/10 «Разработка и внедрение высокоэффективных технологий проектирования, конструкторско-технологической подготовки и изготовления самолета МС-21», тема по дополнительному соглашению №2 «Система проектирования изделий АТ с обеспечением заданных критериев технологичности» (06.10.2010 г. - по настоящее время).

Результаты работы использованы при выполнении НИРС и в учебном процессе кафедры «Самолётостроение и эксплуатация авиационной техники» Иркутского государственного технического университета в виде лекций и лабораторных работ по дисциплинам «Технология производства самолетов», «Автоматизация проектно-конструкторских работ и технологических процессов». Имеются два акта внедрения: на ИАЗ - филиала ОАО «Корпорация «Иркут» и в ИрГТУ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII Международной научной конференции «Решетнёвские чтения» в 2009 г. (СибГАУ, г. Красноярск), на научно-технических конференциях Факультета транспортных систем ИрГТУ в 2008-2010 гг. (ИрГТУ, г. Иркутск), на первой всероссийской научно-технической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (13-19 апреля 2011 г, ИрГТУ, г. Иркутск), на всероссийском научно-практическом семинаре «Высокоэффективные технологии проектирования, конструкторско-технологической подготовки и изготовления самолетов» в 2011г (Иркутский авиационный завод, г. Иркутск).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 статей, из них 2 - в издании из перечня журналов ВАК.

Структура и объём. Настоящая работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основное содержание диссертации насчитывает 193 страниц, содержит 26 таблиц, 67 рисунков, библиографический список из 141 наименования, копии 2 актов внедрения. Общий объём работы 197 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко описывается текущая ситуация, связанная с автоматизированными системами, не позволяющими в полной мере проводить анализ изделий на технологичность на всех этапах жизненного цикла изделия.

Обоснована актуальность темы диссертации, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе произведен анализ состояния проблемы и обзор существующих методов обеспечения технологичности и на основании действующих стандартов и работ Амирова Ю.Д., Балабанова А.Н., Ананьева С.Л., Михельсона-Ткача В.Л. Заломновой К.В., и других ученых проанализированы основные понятия технологичности конструкции, её обеспечения и оценки.

Также рассмотрены пути формализации и автоматизации некоторых задач обеспечения технологичности конструкции изделий, в частности, автоматизации количественной оценки ТКИ (работы Кушнаренко С.Г., Кононенко В.Г., Прялина М.А., Кульчева В.М. и др.) и качественной оценки (работы Шкаберина В.А., Аверченкова В.И. и др.).

На основании периодической литературы по САПР, а также информационных ресурсов компаний производителей современных САЭ/САМ/САЕ - систем проведен анализ данных систем на наличие в них средств, позволяющих решать различные задачи обеспечения ТКИ.

Исходя из цели работы и результатов проведенного анализа современного состояния в области методики анализа и формализации данных при обеспечении ТКИ, были сформулированы следующие задачи:

1) разработать математическую модель в виде образа изделия, на основе данных электронной модели изделия и формализованных данных производственной среды, необходимых и достаточных для решения задач анализа изделия на технологичность конструкции;

2) определить основные принципы качественной и количественной оценки технологичности изделий машиностроения на основе использования математической модели в виде информационного образа изделия;

3) разработать формализованные процедуры отработки изделия на технологичность на этапе изготовления на основе информационного образа изделия;

4) произвести анализ эмпирических данных, используемых при традиционной отработке изделия на технологичность, с целью выделения эквивалентных данных из множества формализованных параметров электронной модели;

5) разработать методику анализа изделия машиностроения с заданными критериями технологичности, основанную на использовании предлагаемых алгоритмов и математических моделей.

Во второй главе решается задача математического представления объектов производственной среды с использованием теории распознавания образов. В разделе 2.1 определяются основные требования к разрабатываемой модели, а так же выдвигается гипотеза, согласно которой набора значимых параметров подмножества конструктивно-технологических параметров изделия, достаточно, чтобы сформировать поле конструктивных решений с заданными критериями технологичности изготовления изделия на основе данных производственной среды, при этом состав значимых

параметров определяется существующим алгоритмом расчета каждого анализируемого значения показателя ТКИ. Произведен выбор основного математического аппарата для решения поставленной задачи, с учетом требований к модели.

В разделе 2.3 для поиска и математического описания минимального состава значимых параметров конструктивных элементов предложена дискретная структурно-реляционная модель изделия, названная информационной моделью (рис. 1). Она отражает необходимые конструктивно-технологические характеристики изделия, используя минимальный объём данных.

Рис. 1. Структура и состав данных информационной модели

Информационная модель строится на основе данных электронной модели (ЭМ) изделия (рис. 2) с помощью программных средств САО-системы и связанной с ней системой управления данными об интегрированных параметрах производственной среды. Выбор и анализ состава конструктивных элементов осуществляется по формальным критериям, заложенным в информационной модели. Это позволяет автоматизировать процесс подготовки модели, что способствует повышению объективности принятия решений, качества и производительности подготовки модели.

Подсечка Стенка

Рис. 2. Электронная модель изделия «диафрагма»

Основу информационной модели составляет множество конструктивных элементов (КЭ) в составе ЭМ изделия. КЭ информационной модели есть

7

подмножество всего множества КЭ детали, в котором для каждого значимого КЭ определены соответствующие конструктивно-технологические параметры изделия и отношения с другими объектами производственной среды (технологические операции, средства технологического оснащения (СТО), оборудование). Обозначим множеством Риз все КЭ проектируемого изделия и подмножество Рзн значимых элементов её информационной модели. Тогда для каждого значимого элемента, как элемента 5ЗН£ подмножества Рзн, справедливо выражение:

/зн1 е *зн с ^из> где -значимый элемент проектируемого изделия;

£зн - множество значимых элементов в изделии;

Риз — множество всех конструктивных элементов в изделии.

Расположение и количество конструктивных элементов определяется конструкцией изделия, а также зависит от поставленной задачи. В частности, при решении задач, связанных с выбором и анализом состава конструктивных элементов, КЭ располагаются на поверхностях детали, с привязкой к базовым плоскостям изделия, теоретическому контуру (для бортов и поясов), точкам приложения технологических нагрузок и т.д. В этом случае подмножество конструктивных элементов Рзн входит во множество всего изделия. Координаты конструктивных элементов определяются из ЭМ изделия, построенного в САБ-системе. При необходимости, в ходе решения поставленной задачи состав конструктивных элементов может изменяться, при этом новые координаты конструктивных элементов берутся на основе данных ЭМ изделия.

В каждом конструктивном элементе информационной модели заданы параметры, описывающие существенные для решаемой задачи характеристики изделия или его элементов. Эти параметры могут быть представлены в скалярном, логическом или ином виде. Состав заданных параметров зависит от решаемой задачи.

В разделе 2.4 предложена концепция комплексной автоматизации обеспечения ТКИ в условиях применения интегрированных САПР и интеллектуальных компонентов.

В качестве основы разрабатываемой концепции приводятся методы, основанные на использовании теоретико-множественных моделей объектов технологической системы. Отношения между рассматриваемыми объектами при изготовлении изделия можно представить в виде следующей иерархии классов «технологическая система» (рис. 3).

На схеме показаны все характерные для каждого класса объектов отношения: для ТП - агрегирование (в данном случае включение) технологических операций и деталей; для технологических операций -отношения использования по ссылкам на изготавливаемые детали и используемые СТО.

При построении системы анализа ТКИ, базирующейся на предлагаемой в данной работе методике, характер поведения проектируемых объектов внутри

системы также удобно представить в терминах объектно-ориентированного анализа.

Технологический процесс

Рас. 3. Иерархия классов «технологическая система»

Также используется совокупность сравнительной качественной и количественной оценок технологичности, предусматривающих сравнение существующих вариантов конструктивных исполнений элементов конструкции изделия и выбора наиболее технологичного в заданных производственных условиях (рис. 4).

Шаг 5*1: Сопоставление Шаг 0: Определение

достигнутых показателей с состава показателей ТКИ

элемента

Рис. 4. Схема объектов системы аначиза ТКИ

В разделе 2.5 рассматриваются математические алгоритмы предлагаемой методики анализа технологичности конструкций изделий. Главным ядром системы

является модуль формирования вариативного поля конструктивных решений с заданными критериями технологичности (рис. 5).

Массив входных данных представляет собой кортеж типа: М = Ф 0,

где /?кэ - функция, выполняемая проектируемым КЭ;

£) - множество используемых параметров КЭ, таких, что для каждого ] — го КЭ рассматриваемого КР не может быть двух одинаковых параметров:

£ 0{КЕ])-^й,\(1^йк *0(/ = 1.....п;к = 1, ...,т),

где п — количество конструктивных элементов в представляемом КР;

т - количество параметров рассматриваемого конструктивного элемента; О' - технологические параметры проектируемого КЭ. Например, качество поверхности, материал, режимы обработки резания и т.п.

Следует отметить особенности заполнения массива входных данных. При решении прямой задачи массив заполняется конструктором в диалоговом режиме, на основе имеющихся баз данных КЭ и другой информации. При решении обратной задачи массив заполняется автоматически на основании конструктивно-технологического образа изделия, содержащийся в среде проектирования изделия и технологического процесса (ТП).

Рис.5. Алгоритм формирования и анализа конструктивных решений

После задания значений данных параметров модуль оценки технологичности формирует запрос к базе знаний на выборку множества решений,

4овлетворяющих входным данным, после чего следует итерационный процесс шализа правил выбора конструктивных решений. В результате система формирует подмножество конструктивных решений следующего вида: кя = {кяг,..., кяп}, щ е к (1 = 1.....п),

ЧКР^КРО = Ру) А (/=)+1(ЖА) = Ру+1) А ФЧКРд = 04 где КЯЪ ...,КЯп - элементы выбираемого множества, являющегося подмножеством множества к всех КР, содержащихся в базе знаний системы;

п - количество элементов множества КР, удовлетворяющим входным данным.

После окончания цикла формирования альтернативного множества КР следует определение для каждого КР значений показателей его технологичности. При этом в случае выбора конструктором качественной оценки технологичности происходит определение суммарного (интегрального) веса каждого КР по результатам экспертного ранжирования КР по неравнозначным критериям оценки технологичности:

чкр1 я(кр) = гу ■ Ъ,, (1 = 1,..., п;; = 1,..., Л), где Ьу - вес, определяющий важность } — го критерия оценки (0 < Ьу < 1;/ =

1.....Л);

Гу - вес I — го КР ПО ) — му критерию оценки.

При использовании механизма количественной оценки технологичности используется формула, аналогичная предыдущей, в которой Гу имеет несколько другой смысл:

( к,

если к< имеет размерность

Гу = | к?3

1^/еу, если /су безразмерно

где Ау - значение _/ — го показателя технологичности КЭ;

/с®33 - базовое значение ) — го показателя технологичности по всему изделию.

Значения /су могут быть на данном этапе проектирования рассчитаны укрупненно, при использовании математических моделей, построенных на основании экспертных знаний в данной предметной области.

После выполнения расчетов значений показателей для каждого КР из множества кя происходит упорядочение данного множества по убыванию понятия «наиболее технологичное КР» (Кт).

Для случая качественной оценки:

3КЯ1 Ё КЯ: Я(КЯд = тахЫ1 Я(КЯ^ = КТ,

т.е. КР с максимальным значением интегрального веса является наиболее технологичным.

Для случая количественной оценки:

ЭКЯ^ 6 К Я: Й(ЖЯ;) = тпт1=1 Я(КЯ¡) ->КЯг = КТ.

Остальные элементы множества упорядочиваются по условию:

укят.-.я(кят.) > я(кят.+1), а = 1.....п).

Для удобства оценки полученных результатов веса КР можно пропорционально приводить к весу наиболее технологичного. Тогда вес наиболее технологичного КР будет равняться 1, а веса остальных решений в интервале (0;1) - для случая качественной оценки и (1; со) - для случая количественной оценки.

1. Таким образом, КР в базе знаний можно представить следующим кортежем:

К = {К1, ...,Кп].

При этом,

е Хк,

где Хк - предметная область КР

Ъ = {ЮК, КЭ(^), /?№)}.

Конструктивные элементы:

КЭ= {/£>КЭ,Я,0}. где Юкэ - идентифицирующий номер хранения в базе знаний КЭ; О — технологические методы изготовления КЭ:

О =

где Ю° - идентифицирующий номер хранения в базе знаний технологических методов изготовления КЭ;

С - правила применения метода изготовления: С= (А.....

при этом,

УС£ 6 С: Сг = {если, то, иначе}.

Итак, конструктивно-технологическим образом изделия являются непосредственно типовые конструктивные решения:

5 = и

где ¡<1 - типовое конструктивное решение.

Такой подход удобен для решения задачи обнаружения нетехнологичного сочетания конструктивных элементов конструкции, поскольку в этом случае конструктор получает доступ к анализируемому изделию путем выбора соответствующего узла дерева.

2. Массив выходных данных представляет собой кортеж типа:

Мг = {Ркэ(Кт10(Кт),0ЧКтП

3. После упорядочения выбранного множества информация об элементах данного множества и результатов их оценки выводится в диалоговое окно конструктора. Конструктор выбирает конкретное решение, после чего происходит передача данных в среду проектирования изделия и ТП:

- рассчитанные значения количественных показателей заносятся в промежуточный файл;

- осуществляется возможное изменение элементов согласно КР в твердотельной модели изделия (обновляется «образ изделия»),

4. В блоке «анализатор формул и правил выбора КР» заложены правила выбора, а также ранжирования КР по рангу важности. При ранжировании каждой альтернативе объекта ставится в соответствии число натурального ряда.

12

При этом ранг 1 получает наиболее предпочтительная альтернатива, а ранг N -наименее предпочтительная, т.е. альтернативные рекомендации должны упорядочиваться по возрастанию рангов. Решение такой задачи можно осуществить в терминах теории нечетких множеств.

В разделе 2.6 обоснована целесообразность использования экспертных компонентов продукционного типа для автоматизации решения задач обеспечения ТКИ. С использованием системного и объектно-ориентированного подходов описана концепция обеспечения технологичности конструктивных элементов изделий в условиях применения С А О/С А М/С А Е - систем и на её основе разработана концептуальная структурная схема комплексной автоматизированной системы обеспечения ТКИ.

В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой информационной модели изделия и алгоритмов основных процедур процесса анализа ТКИ. В разделе 3.1 произведено обоснование выбора изделия как объекта отработки методики. В разделе 3.2 приводится методика разработки информационной модели изделия, а также анализ структуры изделия. В разделе 3.3 описаны вопросы построения и анализа исходной информационной модели на основе трехмерной модели. В разделе 3.4 предложены алгоритмы выбора состава объектов производственной среды для производства изделия с учетом заданных показателей технологичности и имеющейся технологической базы производства. В разделе 3.5 приводятся принципы формирования и анализ конструктивных решений проектирования изделия. Формирование входных данных для оценки технологичности изделий осуществлялось на основе полученных от производственных подразделений списков формализованных критериев оценки технологичности для листовых, профильных и монолитных изделий.

Алгоритм качественной оценки изделия можно условно разбить на 2 этапа:

- анализ геометрических характеристик конструктивных элементов, входящих в структуру изделия;

- анализ возможностей имеющего производственного базиса предприятия для изготовления отдельных КЭ и изделия в целом.

В основе формализации процедур оценки ТКИ при проектировании изделий машиностроения целесообразно опираться на следующие принципы:

- конструктивные компоненты деталей и сборочных единиц классифицируются и для каждого конструктивного элемента классификатора формируются параметризованные электронные макеты;

- каждый конструктивный элемент анализируется на предмет выявления всех объектов технологической системы, оказывающих влияние на показатели ТКИ (технологические процессы, средства технологического оснащения, оборудование (О), инструмент и др.);

- для каждого конструктивного элемента выявляется основной критерий технологичности для решения задачи оптимизации выбора конструктивных параметров проектируемого изделия. Все параметры изделия ранжируются по степени влияния на критерий ТКИ принятый в качестве целевого;

- формализация процедур выявления степени соответствия рекомендуемых значений параметров проектируемой конструкции фактически производится на основе автоматического считывания действительных значений параметров конструкции из разрабатываемого КЭМ изделия. Знак и величина расхождения фактических и рекомендуемых значений параметров определяет численное значение ТКИ. Полученные оценочные значения для всех параметров конструкции анализируются с учетом значимости каждого параметра.

На первом этапе качественной оценки изделия первым шагом является выбор имеющихся рекомендаций в базе знаний по ключевому параметру, а именно по типу анализируемой детали. Далее происходит предварительный анализ выбранного типа заготовки для изготовления изделия в целом. Третьим шагом в алгоритме является пошаговое сравнение геометрических параметров конструктивных элементов, входящих в состав детали (рис. 6).

Имеющиеся дополнительные технологические параметры в информационной модели изделия необходимы для следующего этапа качественной оценки, а также при расчете комплексного показателя технологичности (количественная оценка).

оценки изделия

Рис. 6. Алгоритм качественной оценки изделия

Второй этап качественной оценки (формирование конструктивных решений изготовления) изделия представлен в виде алгоритма на рис. 7.

Образ изделия с геометрическими параметрами КЭ

КЭ

ТП

СТО

01 Ог Оп

Оборудование

Рис. 7. Схема формирования конструктивного решения изготовления изделия

Последовательность действий следующая:

1) для каждого КЭ в изделии определяется из БЗ технологическая операция (ТО;) его изготовления. Первоначально определяются все возможные технологические операции, а потом возможно уменьшения вариантов до одного на основе ранжирования КР с учетом заложенных в базу знаний весовых характеристик;

2) на основе двух факторов: КЭ и ТО в БЗ типовых конструктивных решений определяются взаимно соответствующие средства технологического оснащения, имеющиеся на производстве и необходимые для реализации технологической операции изготовления КЭ;

3) на основе трех составляющих: КЭ, ТО и СТО в БЗ типовых конструктивных решений определяется имеющееся на предприятии технологическое оборудование 07 для изготовления данного КЭ.

Для каждого найденного элемента конструктивного решения фиксируется (запоминаются в рабочей памяти) конкретные значения показателей технологичности на основе правил, заложенных при формировании типовых конструктивных решений (для дальнейшей количественной оценки).

В четвертой главе освещаются вопросы апробации теоретических положений, приведенных в 3 главе. А именно проектирование функциональности программной системы, реализующий процедуры выполнения анализа ТКИ. В разделе 4.3 основные этапы формирования технологической модели изделия. В разделе 4.4 приводятся программные алгоритмы работы каждого модуля системы (рис. 8). Разработанная система

реализована в качестве приложения к интегрированной CAD системе трехмерного моделирования UGS NX. В качестве лингвистического обеспечения была использована среда программирования Java. База данных и знаний реализованы в СУБД реляционного типа mySQL.

Таким образом, применение системы обеспечивает адаптацию метода к заданному производству, аккумулируя знаний о технологическом базисе производства. Тем самым обеспечивается адаптивность метода в целом, учитываются субъективные и объективные особенности производства. На этапе формирования образа изделия производится декомпозиция трехмерной модели детали на общие КЭ и на этапе формирования конструктивных решений отбор по их параметрам КЭ производства (КЭП) из технологического базиса производства (база знаний системы). Метод распознавания работает с конструкторскими моделями, построенными твердотельными примитивами, чем обеспечивается инвариантность методики анализа ТКИ к способу построения модели. Результатом этапа конструктивных решений является выбор нескольких вариантов изготовления детали. На этапе ТКИ отбирается технологичный вариант изготовления. Технологичным является тот вариант, в котором максимум КЭ покрыт КЭП адресуемым к минимуму ТП. Таким образом, обеспечивается максимальная степень технологической преемственности детали.

Полученная технологическая модель детали может быть использована для проектирования ТП детали непосредственно или после преобразования модели. Таким образом, решается задача преобразования модели детали этапа конструкторской подготовки производства в модель этапа технологической подготовки производства.

Рис. 8. Логическая структура системы анализа ТКИ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Основные научные результаты сводятся к следующему.

1. Разработана математическая модель в виде образа изделия, позволяющая решать задачи оценки технологичности конструкций изделий с использованием численных методов на основе минимального состава параметров изделия. Она содержит конечные множества значимых КЭ изделия, логические связи между ними и параметры, заданные в КЭ.

2. Разработана методика анализа качественной и количественной оценки изделия машиностроения с использованием предложенной информационной модели изделия. При этом используются формальные критерии на основе продукционно-фреймовой модели представления знаний, значений частных показателей технологичности.

3. Предложена методика построения разработанной модели на основе электронного макета изделия в условиях интегрированной среды управления данными об изделии.

4. Предложены процедуры автоматизированной оценки ТКИ на этапе конструкторско-технологической подготовки производства на основе данных электронной модели изделия.

5. Создан математический аппарат и система анализа ТКИ с реализованными алгоритмами оценки ТКИ на этапе конструкторской подготовки производства.

Основные практические выводы по работе.

1. Снижено влияние субъективного фактора при принятии решений в ходе технологической подготовки производства изделия, благодаря использованию выявленных формальных критериев оценки технологичности изделия.

2. Разработана информационная модель изделия, которая содержит минимальный необходимый объём данных, в отличие от ЭМ изделия, вследствие чего требует меньшего объёма аппаратных ресурсов ЭВМ.

3. Показана возможность использования предложенной информационной модели изделия, разработанных методов её построения, анализа и полученных с их помощью данные применимы для решения ряда задач конструкторско-технологической подготовки производства:

- выбора конструктивной структуры изделия;

- выбора состава объектов технологической системы (ТО, СТО, оборудования);

- комплексной оценки изделия на основе заданных критериев технологичности.

4. Создана программная система анализа ТКИ, позволяющая посредством диалогового режима формировать исходные данные для анализа изделий, а затем формировать вариативное поле конструктивных решений и тем самым система позволяет повышать качество проектных и технологических решений за счет использования базы знаний системы, в которой сохранены знания экспертов-технологов в данной области.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Говорков A.C., Ахатов Р.Х. Анализ технологичности изделия авиационной техники на основе информационного образа изделия / A.C. Говорков, Р.Х. Ахатов // Научный журнал «Известия Самарского научного центра РАН» Т13(44). 2011. - С.285-292.

2. Говорков A.C. Управление параметрами объектов производственной среды при разработке технологического процесса сборки изделия / A.C. Говорков // Электронный журнал «Труды МАИ», 2011. №48.

Публикации в других изданиях:

3. Ахатов Р.Х., Говорков A.C. Моделирование производственной среды / Р.Х. Ахатов, A.C. Говорков // Проблемы земной цивилизации. Поиск решения проблем выживания, безопасности и развития Земной цивилизации в условиях всеобщей глобализации и интеграции: межвуз. сб. науч. тр. / под общ. ред. В.А. Анохина, Н.М. Пожитного. - Иркутск: ИрГТУ, 2008. - Вып. 21.-С. 174-179.

4. Говорков A.C., Ахатов Р.Х., Божеева Т.В. Построение информационного образа изделий на этапе моделирования изделий с использованием модуля UDF системы Unigraphics/ A.C. Говорков, Р.Х. Ахатов, Т.В. Божеева // Проблемы земной цивилизации. Поиск решения проблем выживания, безопасности и развития Земной цивилизации в условиях всеобщей глобализации и интеграции: межвуз. сб. науч. тр. / под общ. ред. В.А. Анохина, Н.М. Пожитного. - Иркутск: ИрГТУ, 2009. - Вып. 23. - С. 217221.

5. Говорков A.C., Ахатов Р.Х. Представление данных об объектах производственной среды при разработке сборочных процессов / A.C. Говорков, Р.Х. Ахатов // Решетнёвские чтения: материалы XII Междунар. науч. конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнёва (Красноярск, 10-12 ноября 2008 г.) / под общ. ред. И.В. Ковалёва. - Красноярск: СибГАУ, 2008. - С. 264-265.

6. Говорков A.C., Ахатов Р.Х. Исследование информационного образа изделия при технологической подготовки производства / A.C. Говорков, Р.Х. Ахатов // Решетнёвские чтения: материалы XIII междунар. науч. конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева (Красноярск, 10-12 ноября 2009 г.) : в 2 ч. Ч. 2 / под общ. ред. И.В. Ковалева. - Красноярск: СибГАУ, 2009. - С. 400-401.

7. Говорков A.C. Образ изделия на основе CAD модели при разработке технологического процесса сборки / A.C. Говорков // Седьмая Всероссийская научно-практическая конференция «Применение ИПИ-технологий в производстве»: тр. конф. (Москва, 12-13 ноября 2009 г.). - М.: МАТИ, 2009. - С. 64-65.

8. Говорков А.С. Параметры объектов производственной системы при проектировании технологического процесса сборки / А.С. Говорков // Наука. Промышленность. Оборона: тр. XI Всеросс. науч.-техн. конф. (Новосибирск, 21-23 апреля 2010 г.). -Новосибирск: НГТУ, 2010. - С. 123127.

9. Ахатов Р.Х., Говорков А.С. Методика проектирования изделия AT с обеспечением заданных критериев технологичности / Р.Х. Ахатов, // Высокоэффективные технологии проектирования, конструкторско-технологической подготовки и изготовления самолетов: материалы Всероссийского с международным участием научно-практического семинара (Иркутск, 9-11 ноября 2011г.) / Под. общ. ред. А.Е. Пашкова. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 150 с. - С. 10-16.

10. Govorkov A.S. Technique of designing of the product of aviation technics with maintenance of the set criteria of adaptability to manufacture / A.S. Govorkov // Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods & Technologies, Volume 5, Part 3. - Bulgaria, 2011. - Pp. 156 - 161.

Подписано в печать 18.04.2012. Формат 60 х 90 / 16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Зак. 80. Поз. плана Юн.

Лицензия ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

61 12-5/3538

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет»

На правах рукописи

г^У^......

ГОВОРКОВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ " (/

V

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ ПО ИНФОРМАЦИОННЫМ МОДЕЛЯМ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Р. X. Ахатов

Иркутск-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ТЕРМИНОВ...............................................................................................5

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ......................................................7

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................8

1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗДЕЛИЯ...........12

1.1 Существующие методы обеспечения технологичности конструкции изделия....................................................................................................................12

1.1.1 Понятие технологичности конструкции изделия..................................12

1.1.2 Основные задачи анализа технологичности конструкции изделия.....13

1.1.3 Оптимизация проектного решения..........................................................16

1.1.4 Проблемы обеспечения технологичности конструкции изделия........20

1.2 Способы формализации объектов производственной среды......................23

1.2.1 Конструктивно - технологические модели представления изделия ... 23

1.2.2 Существующие подходы к формализации и автоматизации некоторых задач обеспечения технологичности конструкции изделия.......24

1.2.3 Существующие алгоритмы автоматизированного решения задач обеспечения технологичности конструкции...................................................26

1.3 Критерии оценки технологичности конструкции изделия..........................27

1.3.1 Общие критерии ТКИ...............................................................................27

1.3.2 Ресурсные критерии ТКИ.........................................................................32

1.3.3 Качественная оценка технологичности.................................................33

1.3.4 Количественная оценка технологичности..............................................34

1.4 Возможности использования средств современных САПР для решения задач обеспечения технологичности конструкций изделия..............................37

1.5 Выводы по главе..............................................................................................40

1.6 Цели и задачи исследования...........................................................................41

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБЪЕКТОВ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ..........................................................................43

2.1 Задачи и методика исследования...................................................................43

2.1.1 Основные требования к разрабатываемой модели................................43

2.1.2 Основная задача исследования................................................................44

2.1.3 Методика исследования............................................................................46

2.2 Общие сведения о теории распознавания образов.......................................47

2.2.1 Понятия теории распознавания образов.................................................47

2.2.2 Структура и состав данных информационной модели изделия...........50

2.3 Принципы построения информационной модели изделия.........................52

2.3.1 Особенности информационной модели изделий авиационной техники................................................................................................................52

2.3.2 Исходные данные для формирования информационной модели изделия.................................................................................................................54

2.3.3 Принципы структуризации параметров изделия...................................56

2.3.4 Понятие конструктивного элемента как элемента описания технологического процесса...............................................................................61

2.4 Концепция разработки автоматизированной системы анализа ТКИ в условиях САПР КПП и ТПП................................................................................64

2.5 Представление объектов производственной среды в информационной модели.....................................................................................................................72

2.5.1 Метод исследования объектов.................................................................72

2.5.2 Объект «деталь»..................................... ....................................................73

2.5.3 Объект «технологическая система»........................................................74

2.5.4 Объект «технологический процесс».......................................................76

2.5.5 Объект «конструктивное решение»........................................................80

2.5.6 Способ представления знаний при формировании модели..................86

2.6 Обоснование целесообразности использования экспертных компонентов для решения задач обеспечения технологичности конструктивных элементов...................................................................................96

2.7 Выводы по главе..............................................................................................99

3. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРИ АНАЛИЗЕ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ.........................100

3.1 Обоснование выбора и характеристика изделия как объекта отработки методики...............................................................................................................100

3.1.1 Выбор системы трехмерного моделирования для отработки методики............................................................................................................100

3.1.2 Выбор объекта апробации методики.....................................................101

3.2 Методика разработки информационной модели........................................103

3.2.1 Основные задачи разработки информационной модели.....................103

3.2.2 Общая последовательность разработки информационной модели... 104

3.2.3 Анализ структуры изделия.....................................................................107

3.3 Подготовка исходной информационной модели........................................107

3.3.1 Построение информационной модели на основе трехмерного представления изделия....................................................................................107

3.3.2 Анализ исходной информационной модели.........................................111

3.4 Выбор состава объектов производственной среды на основе информационной модели................................... .................................................114

3.4.1 Выбор технологических операций........................................................114

3.4.2 Выбор технологического оборудования...............................................117

3.5 Формирование и анализ конструктивных решений проектирования изделия с учетом заданных критериев технологичности................................119

3.5.1 Алгоритм качественной оценки технологичности конструкции изделия...............................................................................................................119

3.5.2 Алгоритм количественной оценки технологичности конструкции изделия...............................................................................................................122

3.6 Выводы по главе............................................................................................131

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ В СИСТЕМЕ АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ..................133

4.1 Общие принципы формирования системы.................................................133

4.2 Построение информационной базы системы..............................................138

4.3 Формирование технологичной модели детали...........................................140

4.3.1 Этап распознавания модели...................................................................140

4.3.2 Этап формирования конструктивных решений...................................145

4.3.3 Этап оценки ТКИ с учетом состава технологических операций изготовления детали.........................................................................................148

4.3.4 Проверка результатов формирования информационной модели изделия средствами системы МКЭ анализа Ansys.......................................158

4.3.5 Оценка результатов анализа...................................................................161

4.3.6 Оптимизация конструкции детали........................................................165

4 4 Программная реализация алгоритмов анализа технологичности

" 171

изделии.................................................................................................................1 '1

4.4.1 Запуск программы...................................................................................171

4.4.2 Тестирование модуля «информационная модель изделия»................172

4.4.3 Модуль «технологический контроль»..................................................174

4.4.4 Модуль «база данных»............................................................................177

4.4.5 Модуль «база знаний»............................................................................179

4.5 Выводы по главе............................................................................................181

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................................183

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................................185

ПРИЛОЖЕНИЕ А...................................................................................................I94

ПРИЛОЖЕНИЕ Б....................................................................................................I96

АКТЫ ВНЕДРЕНИЙ..............................................................................................I98

СПИСОК ТЕРМИНОВ

Атрибут электронной модели - размер, допуск, текст или символ, требуемый для определения геометрии изделия или его характеристики (ГОСТ 2.052).

Базовый показатель технологичности конструкции изделия -

показатель, принятый за исходный при оценке технологичности. В качестве базового показателя технологичности конструкции принимается показатель изделия аналога наиболее распространенного в отрасли на данный период. Иногда этот показатель определяют как показатель целевого изделия.

База данных - совокупность хранимых в памяти компьютера данных, относящихся к определенному объему или кругу деятельности, специально организованных, обновляемых и логически связанных между собой. Они представляют собой информационную модель объекта.

База знаний - семантическая модель, описывающая предметную область и позволяющая отвечать на такие вопросы из этой предметной области, ответы на которые в явном виде не присутствуют в базе. База знаний является основным компонентом интеллектуальных и экспертных систем.

Конструктивный элемент - конструктивный элемент (КЭ, англ. feature) — основная единица проектирования в современных САПР, которая представляет собой элемент, задающий форму изделия. Путем изменения параметров КЭ осуществляется изменение формы проектируемого изделия.

Конструктивный электронный макет - электронный макет детали, сборочной единицы или агрегата в состоянии их окончательной установки на изделие, определяющий внешний облик и геометрические параметры деталей, сборочных единиц основного изделия, их взаимное расположение в

сборке агрегата (И 306.131).

Комплексный показатель технологичности конструкции изделия-

показатель технологичности, характеризующий несколько входящих в нее частных или комплексных свойств.

Отработка конструкции изделия на технологичность это часть работ по обеспечению технологичности, направленная на достижение заданного уровня технологичности и выполняемая на всех этапах разработки изделия.

Обеспечение технологичности конструкции изделия это функция подготовки производства, включающая комплекс взаимосвязанных мероприятий по управлению технологичностью и совершенствованию условий выполнения работ при производстве, техническом обслуживании и ремонте изделий.

Производственная среда - объект высокого уровня сложности, включающий в себя как совокупность изделий и процессов, выполняемых над ними, так и людей (субъектов производства), связанных в единую организационную систему и объединенных единой системой целеполаганий.

Система автоматизированного проектирования —

автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования, представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности.

Технологичность конструкции изделия - это совокупность свойств конструкции изделия, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, техническом обслуживании и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ.

Технологическая система - это информационная модель части производственной среды, включающая в себя математическую модель конечного изделия как объекта производства (сборочная единица или деталь), а также взаимосвязанные с ней модели исходного изделия, технологических процессов их преобразования, а также средств технологического оснащения, инструмента и оборудования. Кроме того, эту информационную модель дополняют сведения о свойствах изделия и других объектов технологической системы, которые выявлены в результате решения задач инженерного анализа, технологического проектирования, технико-экономического обоснования и других задач исследования объектов технологической системы, в том числе оценку конструкции изделия на технологичность.

Уровень технологичности конструкции изделия - показатель технологичности, выражаемый отношением значения показателя технологичности данного изделия к значению соответствующего базового

показателя технологичности.

Функция изделия - содержит информацию о потребностях, удовлетворяемых изделием и физической операции, с помощью которой

реализуются потребности.

Экспертная система - это интеллектуальная компьютерная программа, в которой используются знания и процедуры логического вывода для решения достаточно трудных задач и требующая для своего решения значительного объема экспертных знаний человека. ЭС - система, которая действует в предметной области как эксперт-человек при принятии решений.

Электронный макет изделия - электронная модель изделия, описывающая его внешнюю форму и размеры, позволяющая полностью или частично оценить его взаимодействие с элементами производственного и/или эксплуатационного окружения, служащая для принятия решений при разработке изделия и процессов его изготовления и использования.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АТ - авиационная техника.

АСТПП - автоматизированная система технологической подготовки производства.

АСКПП - автоматизированная система конструкторской подготовки производства.

БД - база данных. БЗ - база знаний.

КЭМ - конструктивный электронный макет.

КД - конструкторская документация.

КЭ - конструктивный элемент.

КЭП - конструктивный элемент производства.

ПС - производственная среда.

СК - система координат.

СТО - средства технологического оснащения.

САПР - система автоматизированного проектирования.

ТЗ - техническое задание.

ТО - технологическая операция.

ТП - технологический процесс.

ТС - технологическая система.

ТКИ - технологичность конструкции изделия.

ТПП - технологическая подготовка производства.

ЭМ - электронный макет.

ЭС - экспертная система.

ЭЗП (UDF - user define feature) - элемент задаваемый пользователем. CAD (Computer-Aided Design) - автоматизированное проектирование. CAE (Computer-Aided Engineering) - автоматизирование проведение

инженерных расчетов.

CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support ) - непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла.

САРР (Computer-Aided Process Planning ) - автоматизированная система технологической подготовки производства.

ID (Identification Number) - идентификационный номер.

PDM (Product Data Management) - система управления данными об

изделии.

PLM (Product Life Management) - жизненный цикл изделия.

ВВЕДЕНИЕ

Современные условия производства в машиностроении характеризуются высоким уровнем конкуренции, повышением требований к качеству изделий и сокращению цикла производства. Одновременно повышается сложность изделий, в частности, усложняется конструктивная форма проектируемых изделий с целью снижения материалоёмкости и массы конструкции изделия. Для обеспечения требуемых потребительских свойств изделия требуется изготовить продукцию с минимальными затратами на технологическую подготовку производства (ТПП) [1].

В настоящее время процесс обеспечения технологичности конструкции изделия (ТКИ) характеризуется «... наиболее трудноформализуемыми задачами технологической подготовки производства. Для их решения нет достаточно разработанного математического аппарата, строгих формальных методик Результат решения в значительной мере зависит от опыта, знаний и творческой интуиции формирующих его специалистов» [8].

В современном производстве задачи обеспечения технологичности конструкции изделия могут быть решены с использованием систем геометрического моделирования. Применение систем геометрического моделирования неразрывно связано с САЬ8-технологиями для информационного взаимодействия процессов, реализующихся в ходе жизненного цикла изделия и её компонентов. Отсюда следует, что обеспечение ТКИ, должно осуществляться в контексте применения САЬ8-технологий, так как это является одной из задач ТПП.

Создание нового изделия, одна из главных задач для конструктора, при решении которой он должен, во-первых, обеспечить высокую конструктивно-техническую проработку и эксплуатационные качества проектируемого изделия; во-вторых, учесть условия производства, таким образом, изготовить изделия с заданными критериями технологичности.

Многообразие технической литературы, рекомендации справочников по обеспечению технологичности конструкции изделий машиностроения [7, 56] отражают основные сведения о ТКИ, состав и особенности частных показателей [39], методические основы её обеспечения и оценки.

На сегодняшний день при разработке изделия в САБ/САМ/САЕ/�