автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка и использование интегрированных моделей изделий в автоматизированных системах технологической подготовки производства

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ"

На правах рукописи

ГРИБОВСКИЙ Андрей Александрович

РАЗРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНТЕГРИРОВАННЫХ МОДЕЛЕЙ ИЗДЕЛИЙ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

Рабога выполнена на кафедре технологии приборостроения в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» (НИУ ИТМО).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Яблочников Евгений Иванович

доктор технических наук, профессор Лавровский Сергей Константинович (профессор кафедры «Технологии инноваций» СПбГПУ)

комплексных

кандидат технических наук, старшин научный сотрудник Шилов Николай Германович (старший научный сотрудник СПИИРАН)

ОАО «Научно-производственное предприятие "Сигнал"», Санкт-Петербург

Защита состоится «14» мая 2012 г. в 16 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.227.04 при НИУ ИТМО

по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО Автореферат разослан «» ОЦ^/^ёь ¿сХ 2012 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу университета:

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.04.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.04, кандидат технических наук, доцент » Киселев С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

В настоящее время активно создаются и развиваются малые производственные предприятия, которые производят небольшие серии продукции ограниченной номенклатуры. На таких предприятиях начинают широко применять современное программное обеспечение и установки быстрого прототипирования, которые позволяют изготавливать сложные детали без применения специализированного технологического оснащения. Для успешного функционирования таких предприятий и обеспечения пх достаточной конкурентоспособности необходимо использовать современные формы кооперации, а также повышать эффективность решения задач технологической подготовки производства (ТГ1П). Широко распространённым видом кооперации, использующим как внутренние ресурсы предприятия, так и возможности его партнёров, является расширенное предприятие (РП). Эффективное функционирование РП требует упрощения организационной подготовки производства и внутренней интеграции партнёров на основе унифицированных способов представления информации. В современных условиях для эффективного решения задач ТПП необходимо повышать уровень автоматизации, что предполагает использование принципов PLM (Product Lifecycle Management - управление жизненным циклом изделия), увеличение качества внешней и внутренней интеграции, а также представление конструкторско-технологических данных в формализованном виде.

Возрастающая роль трёхмерных моделей (3D) изделия не только в конструкторской, но и в технологической подготовке производства, требует проведения исследований по повышению эффективности использования таких моделей. Уровень развития современных CAD-систем диктует необходимость применения трехмёрной модели как источника не только геометрической, но и конструкторско-технологической информации об изделии. При этом трёхмерная модель изделия не только предоставляет больше возможностей для подготовки производства по сравнению с чертежом, но и обладает рядом предпосылок для повышения уровня автоматизации при решении задач ТПГ1.

Необходимость создания единого информационного пространства (ЕИП) выдвигает на первый план вопросы, связанные с разработкой конструкторско-технологических моделей (КТМ) изделий, на основе которых осуществляется интеграция в АСТПП. При этом ЗЭ-модсль является неотъемлемой частью КТМ. Таким образом, необходима разработка методик формирования и применения КТМ изделий в ТПП, позволяющих повысить уровень автоматизации ТПП при решении технологических задач. Такие методики должны быть достаточно универсальными для использования в различных методах изготовления, но ориентироваться, в первую очередь, на современные виды оборудования, включая установки быстрого прототипирования и производства (Rapid prototyping / Rapid manufacturing), применяемых при мелкосерийном производстве.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются процессы ТПП в расширенных предприятиях при производстве единичной и мелкосерийной продукции.

Предметом исследования являются методики использования трёхмерных моделей для решения задач ТПП в расширенных предприятиях при проектировании и производстве единичной и мелкосерийной продукции. Цель работы и задачи исследования

Основной целью диссертационной работы является повышение эффективности АСТПП за счёт интеграции её подсистем на основе конструкторско-технологической модели изделия.

Для выполнения поставленной цели в диссертационной работе потребовалось решить следующие основные задачи:

• Исследовать способы представления конструкторско-технологической и геометрической информации об изделии, позволяющие эффективно решать задачи ТПП современного предприятия, и повысить уровень их автоматизации.

• Определить способ внешнего и внутреннего информационного взаимодействия подсистем АСТПП.

• Разработать методику анализа и представления геометрических элементов изделий, а также способы выявления конструкторско-технологической информации в трёхмерных моделях изделий.

• Разработать методику и алгоритмы построения конструкторско-тсхнологических элементов (КТЭ) на базе трёхмерных моделей изделий с последующим формированием конструкторско-технологической модели изделия.

• Определить способы использования трёхмерной модели при поиске изделий-аналогов, выборе оборудования и последующем упорядочивании результатов на основе алгоритмов ранжирования.

Методы исследования

Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались основные научные положения теории информационных систем, теории множеств, технологии приборостроения, системного анализа, визуального и имитационного моделирования сложных систем, методологии реинжиниринга, объектно-ориентированного программирования. Научная новизна полученных в работе результатов

• Предложена информационная модель АСТПП, основанная на использовании конструкторско-технологической модели изделия, как средства интеграции подсистем.

• Разработана методика построения конструкторско-технологической модели изделия, основанная на комплексном анализе аннотированных трехмерных моделей и включающая алгоритмы формирования конструкторско-тсхнологичсских элементов.

• Разработана методика автоматизированного решения задач отработки изделия на технологичность при его изготовлении в среде РП, использующая алгоритмы поиска изделий-аналогов и оборудования.

• Разработана методика ранжирования результатов поиска изделий-аналогов п оборудования, основанная на поэтапном анализе конструкторско-технологической модели изделия.

• Предложена классификация технологий быстрого прототипирования, учитывающая особенности описания конструкторско-технологических элементов.

Практическая ценность работы

• Разработаны алгоритмы анализа трёхмерных моделей изделий с разбиением на отдельные элементы в соответствии с внутренней структурой и последующим описанием полученных результатов для хранения и использования при решении задач ТПП.

• Разработан алгоритм поиска изделий-аналогов, основанный на сравнении конструкторско-технологических моделей с последующим ранжированием результатов по степени соответствия исходному поисковому запросу.

• Разработан алгоритм выбора оборудования, базирующийся на комплексном анализе параметров изделия, представляемых в конструкторско-технологической модели.

• Создан прототип подсистемы, решающей задачи отработки изделия на технологичность на основе трёхмерной модели, включая геометрический анализ, поиск аналогов и выбор оборудования.

• Разработан классификатор оборудования быстрого прототипирования, базирующийся на структурных элементах и особенностях трёхмерных моделей.

Реализация результатов работы Разработанные автором алгоритмы и методики решения задач ТПП на основе использования трёхмерной модели изделия применены при реализации проекта организации высокотехнологичного производства изделий из полимерных материалов на базе ООО «Завод по переработке пластмасс имени «Комсомольской правды».

Результаты исследований и разработанный комплекс методов и инструментальных средств нашли применение в:

• НИР «Разработка и реализация модели непрерывного повышения квалификации педагогических кадров российских технических вузов в системе «вуз - инжиниринговый центр - организация»» (СПбГУ ИТМО, государственный контракт № П571 от 5 сентября 2008 г. с Федеральным агентством по образованию РФ), 2008 - 2010 гг.

• НИОКР № 211161 «Разработка методики контроля деталей-представителей с применением контрольно-измерительной машины Global performance модели 05.07.05».

• Учебном процессе НИУ ИТМО на кафедре Технологии приборосгроения.

• Программном и организационно-техническом обеспечении Инжинирингового Центра СПбГУ ИТМО кафедры Технологии приборостроения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

• Информационная модель АСТПП, основанная на методах интеграции с использованием конструкторско-технологических моделей изделий.

• Методика построения конструкторско-технологической модели изделия, основанная на анализе аннотированных трехмерных моделей.

• Методика формирования конструкторско-технологических элементов изделия с использованием специализированных баз знаний.

• Методика поиска изделий-аналогов и оборудования с последующим применением алгоритмов ранжирования результатов.

• Классификация технологий быстрого прототипирования, учитывающая особенности геометрической формы изделия.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010-2011 гг.); на Научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2010-2011 гг.); на Межрегиональной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовательной деятельности» (Санкт-Петербург, 2009 г.); в девятой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин н механизмов» ИПМАШ РАН (Санкт-Петербург, 2009 г.).

Эффективность разработанных методов и средств проверялась экспериментально при создании и опытной эксплуатации АСТПП.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ в виде научных статей и тезисов докладов, 4 из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 101 наименований, 4 приложений. Работа содержит 139 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации выполнен анализ задач ТПП расширенных предприятий (РП), образующихся с целью производства единичной и мелкосерийной продукции; выполнен анализ существующих способов представления геометрической и конструкторско-технологической информации об изделии; определены первоочередные задачи, решаемые при отработки изделий на технологичность в рамках АСТПП; проведён анализ стандартов представления информации для осуществления интеграции как участников РП, так и подсистем АСТПП.

РП является широко распространенным типом кооперации, характеризующимся использованием головного центра и ряда участников, выполняющих роль субподрядчиков и подбирающихся в соответствии со своими наилучшими компетенциями, т.е. способных выполнять

инжиниринговые услуги по проектированию или производству, которые являются наиболее конкурентоспособными. При этом важной характеристикой РП, отличающим его от других видов объединений, является необходимость в обеспечении информационной поддержки на всех этапах жизненного цикла изделия (ЖЦИ). Такая особенность связана, в первую очередь, с тем, что объединение носит динамический характер, т.е. сочетает короткий срок конфигурирования с постоянно меняющимся от изделия к изделию составом участников РП. В результате эффективное использование преимуществ расширенных предприятий требует переработки существующих и разработки новых методик решения задач ТПП.

Традиционное представление информации об изделии базируется на использовании различных видов конструкторской документации, среди которых, в первую очередь, выделяется чертеж. Однако, хранение данных только в таком виде в настоящее время не может использоваться в качестве основного источника информации для РП, так как не позволяет осуществить достаточно полную интеграцию между участниками, а также ограничивает возможный уровень автоматизации, что негативно сказывается на динамичности всей кооперации.

Совершенствование САБ\САМ\САЕ-систем привело к широкому внедрению трёхмерных моделей в качестве основного элемента при решении задач ТПП. В настоящее время чертеж всё ещё остаётся главным документом при проектировании ТП, но во всё большем числе задач ТПП используется трёхмерная модель. На рис. 1 показаны задачи, решение которых наиболее эффективно выполняется с помощью трёхмерных моделей.

При использовании трёхмерной модели изделия в качестве ключевого элемента ТПП упрощается процесс создания технологической документации и исчезает необходимость в дополнительном проектировании, когда по чертежу создаются отдельно трёхмерные заготовки, а также конечная модель изделия, непосредственно используемая при производстве. Таким образом, исключаются указанные дополнительные работы. Длительная история развития САО-систем привела к появлению 5 основных программных ядер, на которых базируются эти системы. При этом основных распространенных систем насчитывается более 20, а форматов передачи данных - более 100. Каждый из форматов обладает своей внутренней структурой, зачастую коренным образом отличающейся от других, а также возможностями и особенностями отображения различных видов информации. Определение способа представления трёхмерной геометрии должно основываться на особых требованиях, связанных со спецификой решения задач ТПП. Трёхмерная модель должна кроме самой геометрии изделия содержать конструкгорско-технологические параметры в таком виде, который позволял бы однозначно определить соотношения между отдельными элементами и их параметрами. Вторым критерием, определяющим насколько трёхмерная модель изделия подходит для применения в РП, является уровень взаимной интеграции участников на основе её использования. Чем выше уровень интеграции, тем проще обмениваться информацией и тем больше определенный вид модели

подходит для использования в среде РП. В главе подробно рассмотрены требования к модели и выбран формат представления данных, который будет использоваться в дальнейшем исследовании.

Проектирование техпроцессов и создание | управляющих программ I для оборудования с ЧПУ i

Создание интерактивных руководств

J

Создание программ

измерения для многокоординатных

контрольно измерительных машин

Инженерный

анализ и оптимизация конструкт« и

Трехмерная модель изделия

Моделирование сборочных единиц и контроль их собираемости

Изготовление изделий с использованием технологии быстрого прототипирования

Проектирование СТО

"3

Моделирование технологических процессов (литье, штамповка и т.п.)

Рис. I. Центральная роль ЗО-модели изделия

Экспорт информации в нейтральный формат, который используется для интеграции участников РП, открывает значительные возможности по информационной интеграции подсистем АСТПП. Результаты анализа показали, чго наиболее эффективно использовать стандарт STEP АР 242, предназначенный для отображения и хранения трёхмерных моделей. Группа стандартов STEP (Standard for the Exchange of Product model data), созданная на замену устаревшему и не развивающемуся в настоящее время стандарту IGES, включает множество стандартов, применяемых для различных областей. Постоянное развитие STEP позволяет включать в него новые возможности в соответствии с последними разработками и современными тенденциями.

Анализ возможностей STEP показал, что его можно применять для решения комплекса технологических задач и, в частности, для задачи отработки на технологичность. Задача отработки на технологичность включает анализ изделий и доступного оборудования. Результаты такого анализа имеют большое значение для автоматизации решения других задач ТПП. При этом, учитывая задачу конфигурирования РП, связанную с формированием множества ТП и подбором соответствующих исполнителей, отработка на технологичность в момент приема заказа на выполнение ТПП, приобретает особенное значение. Комплексный анализ изделия и подготовку данных для других подсистем целесообразно решать в отдельной подсистеме АСТПП. Следовательно, модель должна содержать информацию, необходимую для решения следующих задач отработки на технологичность:

• анализ геометрии изделия и определение конструкторско-гехнологических параметров;

• поиск аналогов на основе параметров изделия и структуры трехмерной модели;

• поиск оборудования для изготовления изделия

В первую очередь, из трёхмерной модели нужно выделять конструкторско-технологическую информацию. Анализ показал, что максимальную полноту представления данных об изделии, простоту их восприятия и однозначность толкования предоставляет стандарт представления трёхмерных аннотаций средствами CAD-системы. При этом, в соответствии со стандартом, трёхмерные аннотации являются одним из способов отображения данных об изделии, представляющихся и хранящихся в цифровом виде совместно с трёхмерной моделью изделия, и использующийся в основном для представления конструкторско-технологической информации - размеров с указанием их точности, шероховатость поверхности, отклонения формы и взаимного расположения, а также поверхности базирования (рис. 2). При этом интерактивное взаимодействие с моделью изделия в CAD-системах позволяет применять специализированные инструменты и методы анализа, включая фильтрацию отображаемых на трёхмерных аннотациях данных. Так, к модели с аннотациями (рис. 2а) может быть применен фильтр по виду аннотаций, позволяющий, например, выделить из всего множества данных только линейные размеры (рис. 26).

Одно из последних нововведений в CAD системах - поддержка сохранения трёхмерных аннотаций в формат STEP и представление их в виде отдельных структурных частей модели. Представление аннотаций наряду с другими элементами в виде структуры изделия в формате STEP, а также открытость его спецификаций позволяет сформировать новый подход к построению АСТПП, основанный на анализе трёхмерных моделей.

Поддержка целевых задач отработки на технологичность требует разработки методик, базирующихся на использовании трёхмерной модели изделия и позволяющих автоматизировать процесс получения конструкторско-технологических данных об изделии. При этом сформированные алгоритмы анализа должны, в первую очередь, быть применимы для производства единичной и мелкосерийной продукции.

Рис. 2. Полное представление аннотации на модели (а) и представление после применение фильтра но виду аннотаций (б)

Во второй главе диссертации описана методика анализа трёхмерной модели изделия и извлечения конструкторско-технологической информации; представлен способ кодирования внутренней структуры трёхмерной модели; рассмотрена методика поиска аналогов изделий; представлена методика формирования конструкторско-технологических элементов (КТЭ) с использованием баз знаний (БЗ); описан состав КТМ изделия как интеграционного и информационного источника данных АСТПП.

Отработка на технологичность включает в себя комплекс мер по анализу изделия и определению возможности его изготовления в условиях использования доступных методов и средств. При этом она тесно связана с процессом выбора технологии изготовления и подтверждает или отклоняет определенный способ производства.

Для традиционного предприятия такой подход связан с выбором конкретного оборудования и определением технологичности, по результатам которого технология изготовления либо принимается и оформляется, либо вносятся необходимые изменения в конструкцию изделия. В случае расширенного предприятия, сложнее разрешить вопрос по внесению изменений в конструкцию изделия, поэтому требуется более детальный анализ производства. При этом ключевой задачей в отработке на технологичность выступает анализ модели и параметров изделия.

Для комплексного анализа геометрии изделия и проектирования ТП была разработана методика, позволяющая сформировать параметрическое представление изделия с учётом его конструкторских и технологических характеристик.

На первом этапе из трёхмерной модели изделия выделяется множество элементов на различных уровнях и выполняется определение их взаимосвязей. Так, например, базовый уровень (уровень 1) содержит различные примитивы (точки, плоскости, линии и окружности). Точки описываются следующим множеством:

Тч={(Тч|, LinkT4|)| i<I;i6N },

где Тчгточка, LinkTHj - ссылка на данную точку в структуре модели; 1 -количество точек в модели; N - множество натуральных чисел. При этом каждая точка записывается в виде:

Type('Name',(Coordi, Coordi, Coordj)),

где Type - наименование типа примитива; Name - имя точки, задаваемое CAD-системой; Coord], Coord2, Coordj - координаты точки, которые в случае использования декартовой системы заменяются соответственно на X,Y и Z. Линии, окружности и плоскости описываются соответственно: Лн = {(Лн|, LinkJlHj)| i<I;iEN }; Ок ={(Ок|5 ЬткОк:)| i<I;ieN}; Пл ={(Ш|, ЫпкПлО| i<I;ieN}.

Элементы более высокого уровня также представляют собой множества: Цилиндры - Цл={(Цл1, LinkUrii)| i<I;ieN}; Конусы - Кн ={(Кн;, LinkKH;)| i<l:i£N(; Сферы -Сф={(Сф;, ЫпкСф;)| i<I;ieN}H т.д.

Эти множества представляют собой пересечение других множеств. Так, цилиндр соответствует каркасу, содержащему 2 направляющие и 2 окружности.

Множество каркасов описывается аналогичным образом:

Кр={(Кр„ ипкКр,)| 1<1;1е1М}-.

Множество цилиндрических поверхностей формируется как пересечение множеств каркасов, множеств окружностей и множеств линий. Таким же образом будут выстраиваться другие типы. Более сложные элементы (например, усеченный цилиндр) формируются путём аналогичного пересечения, но включающего большее количество составляющих.

Процесс анализа модели заканчивается извлечением элементов, которые хранятся в памяти программы и могут быть вызваны в интерактивном режиме. Дальнейшее применение требует представления их в виде, который может одинаково успешно использоваться и в автоматическом, и в интерактивном режиме. В связи с тем, что элементы представляются как набор параметров, была разработана схема структуры записи, необходимая для хранения данных по результатам автоматизированного анализа (рис. 3). Таким образом, вся модель выражается в табличном виде. При этом каждая строка таблицы соответствует определённому геометрическому элементу или конструкторско-технологической информации, представленной в аннотации.

После выполнения анализа элементов необходимо разработать методику поиска изделий-аналогов. Алгоритм определения аналогов базируется на сравнении параметров ключевых элементов моделей, среди которых выделяется их взаимное положение, размер и тип. Так как нахождение точных аналогов маловероятно, то логичным является выполнение поиска но частичному совпадению геометрических элементов с последующим ранжированием результатов. Последовательность представления найденных аналогов определяется степенью их подобия.

Для анализа геометрического подобия изделий используется параметр Р] = Мах(Дршмср, ДуГол, Д средня»), где Р, - нормированное отклонение элемента аналога от соответствующего элемента в изделии; Дра3мер - нормированное отклонение размера элемента; Дугш1 - нормированное отклонение угла элемента; Д средняя -нормированное среднее отклонение всех параметров (размеры, положение, угол); 1 - порядковый номер сравниваемого элемента; I - общее количество сравниваемых элементов. Тогда степень подобия определяется как:

Рх + Рг + - + Р, ? =1 —-----

№ ТЭ ПБС НЭ БФ Параметры элемента

X У Ъ X У г НП Значение Ссылка Размерность

№ - номер элемента; ТЭ - тип элемента; ПБС - плоскость базового сечения; НЭ - направление элемента; БФ - булева функция; НП - номер параметра; Ссылка - ссылка на другие элементы

Рис. 3. Структура описания геометрических элементов

Найденные аналоги позволяют заимствовать технологический процесс (ТП) для последующего сравнения с другими вариантами и выбора оптимального с точки зрения технологичности изделия и конкурентоспособности производства.

Для интеграции различных подсистем АСТПП необходимо информацию, представляемую в техническом задании (ТЗ), параметры, сформированные по результатам анализа и извлеченных из трёхмерной модели, а также полученные в результате поиска по базе данных, отражать в формализованном виде как конструкторско-технологическую модель (КТМ) изделия. При этом, учитывая её использование в качестве центрального информационного элемента АСТПП, необходимо включать в состав КТМ данные как для проектирования ТП с использованием аналогов, так и для проектирования методом синтеза, повышение уровня автоматизации которого требует анализа геометрических элементов и связей между ними. Элементы, объединяемые по способу обработки и соответствующие одной операции или одному технологическому переходу, называются конструкторско-технологическими элементами (КТЭ) Для различных технологий выделяются КТЭ соответствующих видов, содержащих индивидуальный набор элементов. Так, например, для механообработки выделяются: пазы, фаски, канавки, отверстия, группы отверстий и т.п. Помимо элементов, которые создаются и кодируются на более ранних этапах, для формирования КТЭ требуется база знаний, содержащая набор правил выбора вида конструкторских элементов. В первую очередь, в схему описания правил заложена простота восприятия и возможность их создания стандартными средствами редактирования текстовых данных. Таким образом, правила будут представляться в виде обычного текстового файла, содержащего 3 базовых типа этих правил:

1) Правила формирования КЭ.

2) Правила определения коэффициентов и дополнительных параметров.

3) Правила определения КТЭ.

Правила, описанные в виде лексических конструкций, интерпретируются системой как продукционная модель вида:

"Если (условие), то (действие)".

Первый тип правил предназначен для анализа примитивов в изделии и объединении их в виде конструкторских элементов (КЭ).

Второй тип правил описывает формулы вычисления параметров, которые не являются стандартными для элемента, а также коэффициентов, пспользующихся для определения КТЭ во втором типе правил. Например, выражение "SKl=($Dlina)/($DD)" определяет значение коэффициента "К1" как отношение длины элемента "Düna" к разнице диаметров "00"(для конического элемента).

Третий тип правил связывает значение коэффициентов с определённым видом КТЭ. Например, выражение "Konus:{SKl%>2.;$K3%<5.}" указывает, что при определённом соотношении значений коэффициентов КТЭ относится к типу коническая поверхность, обозначенная как " Konus ".

В работе продукционная модель рассматривается на примере анализа набора элементов в виде тела вращения с последующим отнесением их к КТЭ типа конус или фаска. На основе коэффициентов выделяются следующие правила:

Если (К ,>2) и (К3<5), то (Тип КТЭ = Конус)

Если (К,<2) и (К3>5), то (Тип КТЭ = Фаска)

Если (К1>2) и (Кз>5), то (Использовать механизм нечёткого вывода)

При этом граничные значения коэффициентов 2 и 5 выбраны на основе анализа различных конструкций изделий и способов их изготовления. Соответственно механизм нечёткого вывода должен включать модуль пересчёта параметров с учетом экспертной информации, заложенной в алгоритмы его работы.

Важными атрибутами всех элементов изделия являются их конструкторско-технологические параметры, представляемые, как указывалось ранее, на основе использования трёхмерных аннотаций. Представление этих параметров в качестве характеристик КТЭ делает их значительно более информативными. Так указание точности КТЭ, позволяет не только ограничить множество возможных способов обработки, свойственных для такого вида элементов, но и определить особенности изготовления, включая подбор инструмента и выполнение черновых, получистовых или чистовых переходов. Таким образом, для повышения уровня автоматизации ТПП целесообразно создавать библиотеки КТЭ, включающие КЭ, объединенные в зависимости от технологии изготовления и параметров изделия.

По результатам анализа трёхмерной модели аннотации должны храниться в привязке к элементам изделия с указанием непосредственных характеристик. Возможность сохранения аннотаций в формате БТЕР, постепенно вводимая в современных САЭ-системах, позволяет сформировать алгоритмы анализа аннотаций. В работе предложен метод, базирующийся на алгоритмах распознавания множеств данных и включающий 4 этапа:

1) поиск аннотаций и разбиение их на отдельные наборы данных;

2) распознавание символов, описывающих конструкторско-технологическую информацию в аннотациях;

3) определение привязок аннотаций к элементам модели;

4) выделение информации из аннотаций и определение их связей с

геометрическими элементами.

Набор КТЭ включается в КТМ изделия и может использоваться для синтеза ТП. Для отработки на технологичность важен ряд результатов, которые получаются на основе КТЭ, включая проектирование ТП с использованием метода синтеза; определение уровня унификации, который тем больше, чем больше КТЭ присутствует в модели изделия; критичность того или иного вида КТЭ для определённой технологии изготовления (например, наличие КТЭ "уклон" по разному характеризует возможность изготовления с помощью литья и с помощью механообработки на станках с ЧПУ).

КТЭ имеет важное значение при решении задач ТПП, включая отработку на технологичность, проектирование УП для обработки на станках с ЧПУ,

рассматриваемое во многих работах и научных трудах, а также решение специализированных задач, таких как подготовка программ контроля для современного измерительного оборудования.

Укрупненная схема, основанная на формировании и постепенном наполнении КТМ, представлена на рис. 4.

На основе полученных КТЭ возможна генерация УП. Для этого необходимо создание библиотеки, в которой сопоставлены КТЭ с кодами нро]рамм для различных видов оборудования. В результате возможна генерация УII на основе специального модуля. Этот модуль использует БЗ, с помощью которой выбираются коды УП по определенным правилам на основе анализа заданного КТЭ и учёта типа оборудования.

т-

«с]э1а5(оге» Трехмерная модель изделия

Извлечение элементов и» внутренней структуры, определение их взаимосвязей и кодирование

Формирование КТЭ на основе правил и) базы знаний

«сИайоге» Данные по геометрическим элементам в КТМ изделие

«(Майоге» База данных по КТО

Объединение КТЭ в наборы с учыои технологических методов

Анализ геометрическим элементов из конструкции и выполнение поиска изделий-аналогов

Поиск оборудования на основе коне трукторско-техно лог и ческой информации и параметров изделия из ТЭ

«ййаЗоге» Наборы КТЭ в КТМ изделия

«с!а1а51оге» Данные по аналогам в КТМ изделия

«11а1айоге»> Данные о выбранной оборудовании в КТМ изделия

Передача КТМ в другие подсистемы АСТПП

Г

«сЯааЗоге» КТМ изделия

Рис. 4. Алгоритм формирования КТМ изделия

В третьей главе диссертации представлены особенности решения задачи отработки на технологичность для изготовления изделия с использованием технологий быстрого прототипирования и производства; представлены алгоритмы поиска оборудования, выполняемого в информационно-управляющей среде на базе данных из проекта изделия; описаны способы применения КТМ изделия для решения ряда технологических задач.

Подбор изделий-аналогов требует разработки соответствующих алгоритмов поиска и последующего ранжирования. В дополнении к использованию коэффициента, определяющего степень подобия, предложено проводить предварительный анализ и определять степень влияния параметров для каждого типа технологии. В работе был проведен анализ ряда технологий и сформированы критерии отбора, позволяющие определить целесообразность выбора конкретного способа изготовления и соответствующего оборудования.

Предложена схема ранжирования параметров изделия в соответствии с предположительной технологией изготовления, описанной в проекте на изделие-аналог. Таким образом, при поиске аналога коэффициент соответствия определяется в зависимости от степени влияния поисковых параметров. При задании в поисковом запросе определённого количества результатов они выстраиваются согласно следующей формуле, определяющей коэффициент соответствия:

^раэм.^разм. ^ ^матер.^мдтер. ^ ^геометр,^геомргр. шточн.^точн. ^ ^серийн.^серийн.

, где

^разм.,<иматер.1согео..1етр.>соточн.,а;серш-1н.) _ весовые К0ЭффициенхЫ) зависящие от технологии производства и определяющие значимость соответственно размеров, материала, геометрии, точности и серийности изделия;

Дразм.« Дма-ер.> Д-гочн.. ^сериин. _ нормированные отклонения параметров изделия от аналога, определяемые для размеров, материала, точности и серийности;

^геометр. _ степень геометрического подобия изделия и аналога.

При этом значения весовых коэффициентов выбираются опытным путем на основе осуществления ряда итераций при проведении поиска, но их взаимное отношение определяется технологией. Поиск предусматривает наличие значений коэффициентов по умолчанию, что позволяет подбирать оборудование без глубокого знания предметной области. Так, для технологии быстрого прототипирования выполняется следующее соотношение весовых коэффициентов:

шточн. ^ ^матер. ■•* ыразм. ^ ^серинн. ^геометр.

Оценка технологичности изделия тесно связана с технологией изготовления этого изделия. Поэтому для сокращения времени проектирования ТП изготовления изделия следует проводить поиск аналога для выявления возможности технологического заимствования. Если по каким-либо причинам заимствование невозможно, то необходимо определить другие варианты изготовления на базе оборудования, имеющегося у участников РП. Подбор подходящего оборудования является комплексной задачей, включающей анализ параметров изделия с учётом хранения и представления данных, а также непосредственное выполнение поиска. Анализ задачи выбора необходимого оборудования показал, что необходимо из КТМ выделять 3 группы параметров.

В первую группу входят основные параметры, имеющиеся в описании изделия и участвующие в поиске оборудования напрямую (материал, габариты). На основе поиска по данной группе параметров производится предварительный выбор возможного оборудования.

Во вторую группу входят параметры, для которых необходим дополнительный анализ перед поиском, так как они представляются в виде пар (материал - параметры материала, точность размера - квапитет). В этих парах один параметр, в большинстве случаев, указывается явно как для изделия, так и для оборудования (материал, точность размера), а второй требует

дополнительного анализа либо документации на оборудование, либо параметров изделия (параметры материала, квалитет). Данная группа параметров предназначена для проведения уточняющего поиска оборудования.

В третью группу выделяются те характеристики, которые применяются для ранжирования результатов и представления специалисту, в первую очередь, тех типов оборудования, которые в максимальной степени удовлетворяют параметрам изделия. К этой группе относятся любые характеристики, которые явно не участвуют в поиске, например, серийность, так как она имеет большое значение при определении оборудования, но зачастую не может быть выделена в качестве формализованного критерия поиска.

На основе представленных групп были определены параметры, которые необходимо указывать при описании оборудования. Их комплексный анализ позволил сформировать алгоритмы выполнения поиска.

По результатам поиска КТМ изделия дополняется выбранным оборудованием. Далее она передается на последующие этапы функционирования АСТПП, отраженные на рис. 5.

Методика применения КТМ для решения задач ТПП реализована в работе на примере алгоритма формирования программы измерения для координатно-измерительных машин (КИМ) с использованием геометрических элементов и конструкгорско-технологических параметров изделия.

В современном производстве вообще и в сфере приборостроения в частности при производстве единичной и мелкосерийной продукции важную роль играют технологии "быстрого производства" (Rapid Manufacturing). Однако стоит отметить, что наблюдается ограниченное использование подобного класса технологий в отечественном производстве, в отличие от зарубежного. Такая ситуация связана, в первую очередь, с отсутствием достаточно подробного анализа способов решения задач ТПП на основе использования технологий Rapid Manufacturing (RM).

Необходимо отметить, что в понятие "быстрое производство" включается 2 типа технологий по особенностям изготавливаемой продукции. Выделяется непосредственно сама технология Rapid Manufacturing, применяемая для изготовления мелкосерийной продукции на основе макетов изделий, и технология быстрого прототипирования (Rapid Prototyping), применяемая как при создании макетов для дальнейшего производства, так и при изготовлении изделий конечного использования.

Применение данных технологий вместе или использование только одной из них зависит от параметров изделия, среди которых, в первую очередь, учитываются материал и серийность. Разработанные алгоритмы позволяют проанализировать технологичность изделия как с точки зрения технологий быстрого производства, так и с точки зрения "поддержек", применяемых в них. При этом поддержки представляют собой специализированную оснастку для быстрого прототипирования, обеспечивающую точность изготовления изделия и добавляемую в процессе построения отдельных слоев модели.

Учёт особенностей проектирования поддержек имеет большое значение, гак как влияет как на геометрические параметры изделия, так и на его

функциональные характеристики. Созданная классификация основных технологий быстрого прототипирования базируется на особенностях трёхмерной модели изделия, изготавливаемого с помощью указанных технологий (рис 6).

Источники данных САТ1А !—^ РгоЕпдтеег

Трехмерная модель изделия (БТЕР) и конструкторская документами (чертежи, слецрфитфт-)

Отработка на технологичность

Модуль КТА (конструкторски-технологический и геометрический анализ)

Модуль ПА (поиск иаделий.анвлогов)

Модуль ВО (выбор оборудования)

Формирование КТМ

Представление КТМ в виде иерархической структуры в РОМ

КТМ (нпнструкторско-технологичесгая недель)

Проектирование ТП и СТО

Проектирование технологогического процесса

Проектирование средств технологического оснащения

Конструкторско-техиологическан документация ;

Рис. 5. Схема информационной модели АСТПП

В четвертой главе диссертации приводятся практические результаты работы.

Для реализации разработанных алгоритмов в виде специализированных поисковых процедур требуется представлять всю информацию в единой среде, поддерживающей стандартные поисковые запросы. Так как такая система должна использоваться на всех этапах проектирования и подготовки производства, то были сформированы требования в соответствии с разработанными методиками и алгоритмами. С учетом результатов анализа были разработаны дополнительные программные модули, которые внедрены в информационно-управляющую среду (ИУС), реализованную на базе РЭМ БтагТеат и применяемую при функционировании РП. Для их создания

использовался внешний интерфейс системы, положенной в основу ИУС и применяемый для интеграции со сторонними программами, а также язык высокого уровня Ру1Ьоп для непосредственной разработки приложений. Реализовано несколько модулей, решающих задачи на основных этапах отработки изделия на технологичность.

Рис. 6. Классификация технологий быстрого прототипирования с точки зрения учета особенностей геометрии трёхмерной модели изделия

В соответствии с алгоритмами выполнения поисковых запросов были сформированы паспорта на оборудование и паспорта трёхмерных моделей изделий. Для выполнения поиска аналогов в паспорте трёхмерных моделей зафиксированы основные параметры, включая описание геометрических элементов, полученных по результатам анализа трёхмерной модели. Поиск аналогов может быть выполнен по любой комбинации этих параметров.

Структура КТМ изделия, реализованная в РЭМ-системе, представлена в виде дерева взаимосвязанных классов и подклассов (рис 7).

- КТМ изделия

^ Эксплуатационные требования (6 _) Размер партии В Трехмерная и одаль изделия &■£> САЕ-расчяти

Я ^У Результат расчет а

5" Флред^лгнный ьцперигл

Е Состав трелме<моа «сдам

ш-экэ а лэктэ

21- J КТЭ. Канавка

КТЭ. Фаска

3 У ктэ. паз а J Квалитеты и Габариты

К Ксжструкторосотехнштогическив параметры 25 Рсзугалати поиаа Ж Найденные аналоги Я ¿У Подобранное оборудование

Рис. 7. КТМ изделия, представленная в РОМ-системе ЗшагТсаш

X

Рассмотренные в работе методики и способы повышения уровня автоматизации ТПП были использованы в проекте создания интегрированной распределённой системы проектирования, прототипирования и подготовки производства изделий. В соответствии с требованиями к процессу управления проектами определены классы информации, представляемые в базе данных. Для каждого класса и подкласса сформированы паспорта, позволяющие вносить информацию в базу данных. Реализованный в системе поиск оборудования основывался на структуре класса "Оборудование", который для ЛР/11М-технологий включает следующие атрибуты:

[Наименование; Тип; Классификационная группа Предприятие-владелец; Подразделение-владелец; Код оборудования; Точность изготовления; Квалитет; Количество цветов; Материалы; Параметры материалов; Группа серийности; Тип материала поддержки; Максимальный размер по осям X, У, Z; Скорость печати; Входной формат.] На основе классификатора технологий быстрого прототипирования и учёта особенностей трёхмерных моделей был сформирован алгоритм выбора технологического метода производства изделия, базирующийся на имеющемся в наличии оборудовании (рис. 8).

Рис. 8. Алгоритм фильтрации технологии быстрого прототипирования с учетом особенностей трёхмерной модели изделия

На рис. 8. отражены критерии фильтрации в соответствии с прел ставленной ранее классификацией. При этом тип 2 соответствует технологиям, требующим применения поддержек, тип 2.1 - технологиям, требующим механообработки для удаления поддержек, а тип 2.2.2 -технологиям, использующих при проектировании поддержек специализированных алгоритмов.

Апробация разработанных в настоящем исследовании методов и алгоритмов решения задач ТПП и управления проектами изготовления изделий проведена при создании информационно-управляющей среды для проектирования и подготовки производства полимерных изделий. Методологические основы и разработанные алгоритмы были применены в проекте создания "Центра прототипирования", а также в научно-исследовательской работе по подготовке методик измерения изделий повышенной сложности на контрольно-измерительных машинах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комплекс научных исследований, выполненных в работе, направлен на повышение эффективности решения задач ТПП за счёт использования новых методов производства, современных форм кооперации предприятий и передовых информационных технологий, включающих трехмерные модели, базы данных и базы знаний.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Предложены методики и алгоритмы формирования параметрических моделей изделий на основе анализа геометрической и конструкторско-технологической информации об изделии, представляемой в модели формата STEP с использованием трёхмерных аннотаций.

2. Разработана методика и алгоритмы распознавания конструкторско-технологических элементов из формата STEP с использованием набора специализированных правил, позволяющих учесть общность характеристик геометрических элементов при их объединении.

3. Предложена информационная модель АСТПП, основанная на использовании конструкторско-технологической модели изделия, как средства интеграции подсистем. Консгрукторско-технологическая модель включает параметры изделия и результаты, формируемые программными модулями при отработке изделия на технологичность.

4. Разработана методика поиска изделий-аналогов, основанная на сравнении консгрукторско-технологических моделей, включающая ранжирование результатов на основе комплексного анализа особенностей данных в исходном поисковом запросе.

5. Разработана методика выбора оборудования, базирующаяся на поэтапном анализе параметров изделия, представленных в конструкторско-технологической модели.

6. Предложена методика выбора технологии быстрого прототипирования, базирующаяся на классификации этих технологий и учете особенностей геометрической формы изделий, описанных в КТМ.

7. Разработанные в работе методики и алгоритмы реализованы на базе РЭМ-системы БтагТсат в виде специализированных модулей, расширяющих базовые возможности системы и позволяющие построить АСТПП на её основе.

Предложенные методики и алгоритмы позволяют перевести АСТПП на новый качественный уровень и повысить эффективность решения её задач в условиях реализации проектов изготовления изделий при единичном и мелкосерийном производстве. Применение данных методик даёт возможность автоматизировать решение задач отработки изделия на технологичность, включая поиск изделий-аналогов и подбор оборудования.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Из перечня ВАК:

1. Грибовский A.A., Пирогов. A.B. Алёшина Е.Е. Использование технологии опт ического сканирования при подготовке производства новых изделий // Известия вузов. Приборостроение. 2010 Том 53, выпуск №8. С. 60-64.

1. Грибовский A.A. Системная интеграция при моделировании и изготовлении изделий в среде расширенного предприятия // Научно-технический Вестник. 2011. Том 73, выпуск №3. С. 71-74.

2. Грибовский A.A., Афанасьев М.Я. Организация единого информационного пространства виртуального предприятия // Научно-технический Вестник. 2011. Том 76, выпуск №6. С. 113-117.

3. Грибовский A.A. Автоматизация поиска деталей-аналогов на базе трехмерных моделей // Научно-технический журнал «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологий» ОГТУ. 2011. №5(289). С. 43-49.

Прочие:

4. Грибовский A.A., Яблочников. Е.И. Применение методов оптического сканирования в подготовке производства изделий // Сборник аннотаций студенческих выпускных квалификационных работ СПбГУ ИТМО. 2009стр. 67-68.

5. Грибовский A.A., Пирогов A.B., Алёшина Е.Е. Разработка технологических процессов изготовления изделий на базе научно-образовательного центра СПбГУ ИТМО // Межрегиональная научно-методическая конференция

«Инновационные технологии в образовательной деятельности». Сборник материалов. - СПб.: СЗТУ. 2009. С. 76-77.

6. Грибовский A.A., Пирогов A.B., Алёшина Е.Е., Яблочников Е.И. Моделирование технологических процессов изготовления приборов // IX сессия международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов». Сборник трудов. - СПб.: ИПМАШ РАН. 2009. С. 359.

7. Грибовский A.A., Афанасьев М.Я. Реализация модуля управления виртуальным предприятием в PDM-системе ENOVIA-SmarTeam // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых / Под ред. В. О. Никифорова. СПб: СПбГУ ИТМО, 2011.-С. 258-259.

8. Грибовский A.A., Афанасьев М.Я. Декомпозиция структуры трехмерных моделей на наборы конструктивных элементов с использованием примитивов // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых / Под ред. В. О. Никифорова. СПб: СПбГУ ИТМО, 2011.-С. 281.

9. Грибовский A.A., Дроздков А.Н. Автоматизация технологической подготовки производства на основе аннотированных трехмерных моделей изделий // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых / Под ред. В. О. Никифорова. СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. - С. 280.

10.Грибовский A.A., Тамбовцева H.A. Алгоритмы выбора технологий быстрого прототипирования для единичного и мелкосерийного производства изделий // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых / Под ред. В.О. Никифорова. СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. - С. 207-209.

Подписано в печать 10.04.12 Формат 60х84'/]б Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 Заказ 07/04 печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт». Корректор Викулин A.B. (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)

12~ 1 1 05 1

2012094372

2012094372

61 12-5/3483

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ"

На правах рукописи Грибовский Андрей Александрович

РАЗРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНТЕГРИРОВАННЫХ МОДЕЛЕЙ ИЗДЕЛИЙ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доцент, Яблочников Е.И.

Санкт-Петербург 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ ОБ ИЗДЕЛИИ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ТИП В СРЕДЕ РАСШИРЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ.................................................................................................11

1.1. Организация технологической подготовки производства изделий в условиях кооперации...........................................................................................................................................11

1.2. Роль трёхмерной модели изделия при решении задач подготовки производства........18

1.3. Анализ подходов к представлению информации в трёхмерных моделях изделий.........24

1.4.Выбор способов хранения и представления конструкторско-технологической информации..........................................................................................................................................29

1.5. Выводы и результаты по Главе 1.............................................................................................40

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИЗДЕЛИЯ.................................................................................................................................................41

2.1.Геометрический анализ трёхмерной модели изделия для использования в подсистемах АСТИП..................................................................................................................................................41

2.2. Формирование конструкторско-технологической модели изделия...................................55

2.3. Подбор изделий-аналогов на основе конструкторско-технологической модели.............75

2.4. Выводы и результаты по Главе 2.............................................................................................82

ГЛАВА 3. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ НА ОСНОВЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ............................................................84

3.1. Выбор технологического метода изготовления на основе конструкторско-технологической модели изделия.....................................................................................................84

3.2. Формирование управляющих программ для современного оборудования на основе конструкторско-технологической модели изделия......................................................................96

3.3.Применение конструкторско-технологической модели при изготовлении изделия с использованием технологий быстрого производства................................................................103

3.4.Выводы и результаты по Главе 3............................................................................................110

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИЗДЕЛИЯ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ПРОЕКТАМИ ПРОИЗВОДСТВА НОВЫХ ИЗДЕЛИЙ В СРЕДЕ РАСШИРЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ.................................................................................111

4.1.Автоматизация решения задач ТПП на основе конструкторско-технологической модели изделия в среде расширенного предприятия.................................................................111

4.2. Создание интегрированной распределённой системы проектирования, прототипирования и подготовки производства изделий..........................................................119

4.3. Информационное обеспечение процессов ТПП изделия на базе использования ИУС

расширенного предприятия............................................................................................................122

4.4. Выводы и результаты по Главе 4...........................................................................................126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................................................127

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИУС............140

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ СУЩНОСТИ В ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ ИЗДЕЛИЯ ФОРМАТА STEP...................................................................................................................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ПРОГРАММНЫЙ АНАЛИЗАТОР НАБОРА ПРАВИЛ ФОРМИРОВАНИЯ КТЭ.....................................................................................................................155

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

...................................................................................................................................................................160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации

В настоящее время активно создаются и развиваются малые производственные предприятия, которые производят небольшие серии продукции ограниченной номенклатуры. На таких предприятиях начинают широко применять современное программное обеспечение и установки быстрого прототипирования, которые позволяют изготавливать сложные детали без применения специализированного технологического оснащения. Для успешного функционирования таких предприятий и обеспечения их достаточной конкурентоспособности необходимо использовать современные формы кооперации, а также повышать эффективность решения задач технологической подготовки производства (ТПП). Широко распространённым видом кооперации, использующим как внутренние ресурсы предприятия, так и возможности его партнёров, является расширенное предприятие (РП). Эффективное функционирование РП требует упрощения организационной подготовки производства и внутренней интеграции партнёров на основе унифицированных способов представления информации. В современных условиях для эффективного решения задач ТПП необходимо повышать уровень автоматизации, что предполагает использование принципов PLM (Product Lifecycle Management - управление жизненным циклом изделия), увеличение качества внешней и внутренней интеграции, а также представление конструкторско-технологических данных в формализованном виде.

Возрастающая роль трёхмерных моделей (3D) изделия не только в конструкторской, но и в технологической подготовке производства, требует проведения исследований по повышению эффективности использования таких моделей. Уровень развития современных CAD-систем диктует необходимость применения трехмёрной модели как источника не только геометрической, но и конструкторско-технологической информации об

изделии. При этом трёхмерная модель изделия не только предоставляет больше возможностей для подготовки производства по сравнению с чертежом, но и обладает рядом предпосылок для повышения уровня автоматизации при решении задач ТПП.

Необходимость создания единого информационного пространства (ЕИП) выдвигает на первый план вопросы, связанные с разработкой конструкторско-технологических моделей (КТМ) изделий, на основе которых осуществляется интеграция в АСТПП. При этом ЗЭ-модель является неотъемлемой частью КТМ. Таким образом, необходима разработка методик формирования и применения КТМ изделий в ТПП, позволяющих повысить уровень автоматизации ТПП при решении технологических задач. Такие методики должны быть достаточно универсальными для использования в различных методах изготовления, но ориентироваться в первую очередь на современные виды оборудования, включая установки быстрого прототипирования и производства (Rapid prototyping / Rapid manufacturing), применяемых при мелкосерийном производстве.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются процессы ТПП в расширенных предприятиях при производстве единичной и мелкосерийной продукции.

Предметом исследования являются методики использования трёхмерных моделей для решения задач ТПП в расширенных предприятиях при проектировании и производстве единичной и мелкосерийной продукции.

Цель работы и задачи исследования

Основной целью диссертационной работы является повышение эффективности АСТПП за счёт интеграции её подсистем на основе конструкторско-технологической модели изделия.

Для выполнения поставленной цели в диссертационной работе

потребовалось решить следующие основные задачи:

5

• Исследовать способы представления конструкторско-технологической и геометрической информации об изделии, позволяющие эффективно решать задачи ТПП современного предприятия, и повысить уровень их автоматизации.

• Определить способ внешнего и внутреннего информационного взаимодействия подсистем АСТПП.

• Разработать методику анализа и представления геометрических элементов изделий, а также способы выявления конструкторско-технологической информации в трёхмерных моделях изделий.

• Разработать методику и алгоритмы построения конструкторско-технологических элементов (КТЭ) на базе трёхмерных моделей изделий с последующим формированием конструкторско-технологической модели изделия.

• Определить способы использования трёхмерной модели при поиске изделий-аналогов, выборе оборудования и последующем упорядочивании результатов на основе алгоритмов ранжирования.

Методы исследования

Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались основные научные положения теории информационных систем, теории множеств, технологии приборостроения, системного анализа, визуального и имитационного моделирования сложных систем, методологии реинжиниринга, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна полученных в работе результатов

• Предложена информационная модель АСТПП, основанная на использовании конструкторско-технологической модели изделия, как средства интеграции подсистем.

• Разработана методика построения конструкторско-технологической модели изделия, основанная на комплексном анализе аннотированных трёхмерных моделей и включающая алгоритмы формирования конструкторско-технологических элементов.

• Разработана методика автоматизированного решения задач отработки изделия на технологичность при его изготовлении в среде РП, использующая алгоритмы поиска изделий-аналогов и оборудования.

• Разработана методика ранжирования результатов поиска изделий-аналогов и оборудования, основанная на поэтапном анализе конструкторско-технологической модели изделия

• Предложена классификация технологий быстрого прототипирования, учитывающая особенности описания конструкторско-технологических элементов.

Практическая ценность работы

• Разработаны алгоритмы анализа трёхмерных моделей изделий с разбиением на отдельные элементы в соответствии с внутренней структурой и алгоритмы описания полученных результатов для хранения и использования при решении задач ТПП.

• Разработан алгоритм поиска изделий-аналогов, основанный на сравнении конструкторско-технологических моделей с последующим ранжированием результатов по степени соответствия исходному поисковому запросу.

• Разработан алгоритм выбора оборудования, базирующийся на комплексном анализе параметров изделия, представляемых в конструкторско-технологической модели.

• Создан прототип подсистемы, решающей задачи отработки изделия на технологичность на основе трёхмерной модели, включая геометрический анализ, поиск аналогов и выбор оборудования.

• Разработан классификатор оборудования быстрого прототипирования, базирующийся на структурных элементах и особенностях трёхмерных моделей.

Реализация результатов работы

Разработанные автором алгоритмы и методики решения задач ТПП на основе использования трёхмерной модели изделия применены при реализации проекта организации высокотехнологичного производства изделий из полимерных материалов на базе ООО «Завод по переработке пластмасс имени «Комсомольской правды».

Результаты исследований и разработанный комплекс методов и инструментальных средств нашли применение в:

• НИР «Разработка и реализация модели непрерывного повышения квалификации педагогических кадров российских технических вузов в системе «вуз - инжиниринговый центр - организация»» (СПбГУИТМО, государственный контракт № П571 от 5 сентября 2008 г. с Федеральным агентством по образованию РФ), 2008 - 2010 гг.;

• НИОКР № 211161 «Разработка методики контроля деталей-представителей с применением контрольно-измерительной машины Global performance модели 05.07.05»;

• учебном процессе СПб ИТМО на кафедре Технологии приборостроения;

• программном и организационно-техническом обеспечении Инжинирингового Центра СПбГУ ИТМО кафедры Технологии приборостроения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

• Информационная модель АСТПП, основанная на методах интеграции с использованием конструкторско-технологических моделей изделий.

• Методика построения конструкторско-технологической модели изделия, основанная на анализе аннотированных трёхмерных моделей.

• Методика формирования конструкторско-технологических элементов изделия с использованием специализированных баз знаний.

• Методика поиска изделий-аналогов и оборудования с последующим применением алгоритмов ранжирования результатов.

• Классификация технологий быстрого прототипирования, учитывающая особенности геометрической формы изделия.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010-2011 гг.); на Научной и учебно-методической конференции СПбГУИТМО (Санкт-Петербург, 2010-2011 гг.); на Межрегиональной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовательной деятельности» (Санкт-Петербург, 2009 г.); в девятой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» ИПМАШ РАН (Санкт-Петербург, 2009 г.).

Эффективность разработанных методов и средств проверялась экспериментально при создании и опытной эксплуатации АСТПП.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ в виде научных статей и тезисов докладов, 4 из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 101 наименований, 4 приложений. Работа содержит 139 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 3 таблицы.

В первой главе диссертации выполнен анализ задач ТПП расширенных предприятий (РП), образующихся с целью производства единичной и мелкосерийной продукции; выполнен анализ существующих способов представления геометрической и конструкторско-технологической информации об изделии; определены первоочерёдные задачи, решаемые при отработки изделий на технологичность в рамках АСТПП; проведён анализ стандартов представления информации для осуществления интеграции как участников РП, так и подсистем АСТПП.

Во второй главе диссертации описана методика анализа трёхмерной модели изделия и извлечения конструкторско-технологической информации; представлен способ кодирования внутренней структуры трёхмерной модели; рассмотрена методика поиска аналогов изделий; представлена методика формирования конструкторско-технологических элементов (КТЭ) с использованием баз знаний (БЗ); описан состав КТМ изделия как интеграционного и информационного источника данных АСТПП.

В третьей главе диссертации представлены особенности отработки на технологичность для изготовления изделия с использованием технологий быстрого прототипирования и производства; представлены алгоритмы поиска оборудования, выполняемого в информационно-управляющей среде на базе данных из проекта изделия; описаны способы применения КТМ изделия для решения ряда технологических задач.

В четвертой главе диссертации приводятся практические результаты работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ ОБ ИЗДЕЛИИ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ТПП В СРЕДЕ РАСШИРЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

1.1. Организация технологической подготовки производства изделий в условиях кооперации

Одной из основных особенностей развития предприятий в последние 20 лет является выделение строго очерченных направлений производства. При этом необходимость производства изделий в кратчайшие сроки всё больше ужесточается. В таких условиях увеличивается актуальность использования разнообразного рода объединений, организуемых по большей части виртуально [1,2]. Наиболее перспективные направления в этой области - это объединения в кластеры или различные виды виртуальных предприятий, включая расширенное предприятие. Все эти объединения характеризуются формированием кооперационной среды взаимодействия "симбиотического типа". Это означает, что ресурсы каждого из участников кроме принадлежности к конкретному предприятию, также получают виртуальную принадлежность к кооперационной среде. При этом они становятся доступными как всем участникам кооперационной среды, так и её заказчикам. Хотя каналы доступа и могут быть затрудненными, но такой подход позволяет значительно расширить возможности каждого участника и нивелировать ограниче