Информационные технологии в приборостроении

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 681.2.001.63 © Р. И. Сольницев

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Работа посвящена методологии проектно-производственных процессов в приборостроении. Разработан подход к формированию подсистемы САПР поддержки, управления и контроля качества процессов проектирования и производства для лица, принимающего решение.

Развитие проектно-производственных процессов в приборостроении, так же как и в других отраслях промышленности, направлено на решение важнейших задач непрерывного повышения качества приборов и их конкурентоспособности на мировом рынке. Решение этих задач возможно только на основе новых инструментов проектировщика — средств САПР как основы информационной технологии проектирования и производства.

В [1, 2, 3] были рассмотрены процессы проектирования различных приборостроительных предприятий, а в [4] проведен их анализ и формализация. На основе анализа проектных процедур и их взаимодействия в процессах проектирования были выявлены состав и конкретные требования к подсистемам (инструментам) САПР "разработчиков", "конструкторов", "технологов" и "испытателей". Полученные результаты используются при создании САПР на этапах обследования проектных предприятий и разработки структуры САПР.

Особенности изделий приборостроения отражаются в требованиях к их проектированию и производству прежде всего по точности, которая имеет определяющее значение на всех этапах жизни приборов. Задачи обеспечения точности приборов приводят к необходимости разработки средств расчета размерных цепей, решению до-пусковых задач, оценкам точности приборов на подвижном основании в условиях многочисленных возмущений и помех. Помимо точности к приборам предъявляются требования по помехоустойчивости, минимизации весо-габаритных характеристик, надежности. Эти особенности определяют критерии разработки информационных технологий проектирования и производства приборов и соответствующих инструментов САПР.

На начальных этапах жизни приборов применяются следующие подсистемы (инструменты) САПР [5]:

— "Построение математических моделей",

— "Упрощение математических моделей",

— "Моделирование",

— " Анализ",

— "Синтез".

Все перечисленные подсистемы строятся на основе специально созданного для этой цели пакета прикладных программ аналитических преобразований на ЭВМ.

Подсистема "Построение математических моделей" (ММ) основана на формализме Лагранжа и ряде связанных с ним алгоритмов. Как подсистема САПР она включает проблемно-ориентированный язык для построения ММ по исходным кинематической и электрической схемам. Операторы языка содержат задание обобщенных координат, масс, моментов инерции, сил трения, упругости, систем координат, контуров и параметров электрических цепей.

Подсистема "Упрощение математической модели" основана на методах и алгоритмах нетождественных преобразований ММ с целью упрощения их дальнейших исследований, хранения, объединения, документирования. Применяются методы и алгоритмы декомпозиции, последовательных приближений, редукции, линеаризации. Проблемноориентированный язык этой подсистемы включает операторы приведения подобных членов уравнений ММ, анализ структурных связей, линеаризации, построение уравнений и функций чувствительности, переход к передаточным функциям и мн. др.

Подсистемы "Моделирование" и "Анализ" основаны на методах и алгоритмах численного интегрирования систем дифференциальных уравнений (СДУ) и численно-аналитических алгоритмах анализа; применяются неявные численные методы Гира, Куртиса—Хиршфельдера, Ракитского, численно-аналитический метод, который позволяет получать в аналитическом виде зависимости между характеристиками и параметрами исследуемых объектов.

Проблемно-ориентированный язык включает операторы решения СДУ, построения корреляционной матрицы и матрицы частотных спектров, определения характеристик динамики и статики приборов.

ВС

Подсистема "Синтез" основана на численноаналитическом методе параметрического синтеза и методе полиномиальных уравнений. Численноаналитический метод позволяет осуществлять параметрический синтез с помощью аналитических формул связи характеристик приборов с их параметрами, что исключает поисковые процедуры. Проблемно-ориентированный язык в этом случае имеет операторы построения определяющих уравнений, операций над полиномами, решения полиномиальных уравнений, формирования в аналитическом виде ММ синтезируемой части.

Особое место на начальных этапах проектирования приборов занимает подсистема (инструмент) САПР "Согласование технического задания" (ТЗ). Этот этап является трудно формализуемым, требует наивысшей квалификации "заказчика" и "исполнителя", сам процесс согласования ТЗ может затягиваться на недопустимо длительное время.

Соответствующий инструмент САПР разработан и используется в приборостроении [6]. Эта подсистема САПР построена на основе методов экспертных систем, использования семиотических и имитационных моделей, применения теории "расплывчатых множеств".

На этапах рабочего проектирования конструкторско-технологической подготовки производства, когда выпускается конструкторско-технологическая документация и изготавливаются постпроцессоры для станков с ЧПУ, наиболее перспективной представляется трехуровневая система из инструментов САПР [7].

На верхнем уровне для конструирования облика прибора в трехмерном (3D) пространстве используется PRO-Engineer, на следующем — Solid Works или Solid Edge и на нижнем — AutoCAD.

Такая иерархия инструментов САПР позволяет совместить преимущества конструирования прибора в параллельной, центральной или аксонометрической проекциях с анимацией и выпуском конструкторско-технологической документации по стандартам ЕСКД. В процессе работы конструктор манипулирует объемными телами в трехмерном (3D) пространстве, получает расчетные данные, в том числе и по допусковой задаче, осуществляет наглядное представление последовательности сборки прибора из сборочных единиц.

Для процессов создания приборов, не разделяемых в настоящее время с маркетингом, необходима система поддержки, управления и контроля качества процессов проектирования и производства. Разработка такого инструмента является весьма актуальной. В этой связи предлагаются подходы для формирования инструмента САПР поддержки проектно-производственных решений для лица, принимающего решение (ЛПР).

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Дано:

Я = { = Ф

где Я — множество возможных решений (возможных заказов, проектов, технических процессов, принятия решений и т.п.); п — количество характеристик, признаков і-го решения (технических, маркетинговых, социальных, эргономических).

K = F (l,..., km ),

где К — показатель эффективности, функционал от критериев формирования Я; т — количество критериев (точность, масса, габариты, качество, надежность, удобство технического обслуживания, эргономичность).

О = (, О2,..., Ог),

где О — вектор ограничений формирования Я при заданном К.

Эксперты, возможно из категории ЛПР, формируют коэффициенты-приоритеты отдельных

м

критериев X/. ПХ < 1 или и — полезность от-

}=1

дельных решений.

Требуется:

НайтиХі, і = 1, ^ << N, < 3) при

м

к = тах{} г8 = /

5=1

где г5 — комплексная свертка значений критериев одного варианта, / — функция получения свертки / є }.

Функцию / можно отыскивать разными способами и формами.

Наиболее простая форма — аддитивная

/ ^ЪЛгкг,

Г5 =КкЛ +^2к я2 + ... + Ккт , 5 = I М .

Выбор к,] осуществляется на основе статистических методов обработки экспертных оценок, где все к — относительные величины:

7 кг,тах

г кг

(элементы формулы описаны ниже), или специальными методами.

Выделяя для мажоритарной оценки качества прибора основную его характеристику к1 —

точность и указывая все остальные составляющие (к2 — надежность, к3 — стоимость, к4 — весогабаритные данные, к5 — наличие резервов, к6 — ущерб при отказе, к7 — ремонтопригодность), (2) можно представить в виде

К = + А2к2 + Язкз + А4к4 + А5к5 + А^кб + А7к7 .

В частности, К3 можно записать в виде:

К 3 =

З - C1 - C2 - C3

З

где З — стоимость (цена) изделия (руб./год), С1 — удельные затраты на изготовление и разработку изделия (или п изделий) (руб./год), С2 — стоимость эксплуатации и ремонта (руб./год), С3 — стоимость причиненного ущерба при отказах (руб./год) за время I < Т.

Все эти данные должны быть получены по результатам статистики работы предприятия в течение 5-10 лет.

Раскрыть выражение (2) можно в форме

K —

C

Cm

гп

i =1 / max i =1

где Л — весовой коэффициент i-го показателя качества, ki — kimax ki — относительный показа-

і /,max / 1

тель качества, kt — абсолютный (текущий, проектируемый) показатель качества, ki,max — максимально допустимый показатель качества, С — стоимость решения (изделия), Cmax — максимально допустимое значение стоимости.

Применяя метод ситуационного управления для поиска решения, процесс принятия решения строим в виде

VS, є S 3R,,

iJ

R =< Sc, Sk, Sсу, F, K >: Sc ^ Sk,

^<1k11 + Л2 kl2 + ... + Лmk1m = U1,

Лл k 1 + Лл k о + + Л ki — U'

1 nl '^2 n2 ................... m lm ,

где и 1 > и2 > ... > иы , ПА] < 1, N — количество

вариантов решения в (1); иь..., UN — полезность решений; т — количество критериев в (2); А] — весовые коэффициенты (] =1, т ); к^ — ]-й критерий г-го варианта в относительных величинах.

ЛПР назначает иг, например

и1 = 1, и2 = 0.9, и3 = 0.7, ..., ^ = 0.1.

Тогда из (10) находим

А1к11 + А2 к12 + ... + Атк1т = 1, ..............................

•^1kN 1 + Л2 kN 2 + ... + Лmk1m = С.1.

Для каждого варианта решения г составляется строчка из значений критериев К] (] = 1, т ); решается система алгебраических уравнений (10) относительно А]; составляются свертки (4); выбирается 5-е Х — Х5, соответствующее тах{г5}, и соответственно оценивается и — и ; составляется невязка

(В) А —

U. - U.

. Если А < 5д,

где «0 — начальное состояние объекта (до принятия решения); Бк — конечное состояние объекта (после принятия решения); К — показатель эффективности (2); ^ — множество операторов, переводящих «0 в «к;

— состояние системы управления проектнопроизводственным процессом.

Наиболее удобным для ЛПР представляется ранжирование вариантов решения по их полезности иг . Ранжирование г вариантов решения можно свести к системе

N

доп , то процесс окончен, если нет, то делается следующая итерация.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение отметим, что применение информационных технологий в приборостроении не дань моде, а неизбежный этап в научнотехническом прогрессе. В настоящее время жизненный цикл прибора следует поддерживать в стандартах, аналогичных CALS, STEP, Quality, что обеспечивает информационные технологии проектирования и производства, в том числе параллельную работу разработчиков, конструкторов, технологов, производственников над созданием прибора; логистическую поддержку всех этапов жизни изделия; обеспечение успешного маркетинга на предприятиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования гироприборов. СПб.: РУМБ, 1985. 120 с.

2. Сольницев Р.И., Чарышев Ш.Ф. Автоматизация проектирования, изготовления и испытания авиационных приборов и систем. М.: МАП, 1990. 270 с.

3. Сольницев Р.И., Цуканов В.Н., Шишкин Б.Н. Методическое и организационное обеспечение САПР. СПб.: ЛИАП, 1992. 10 с.

4. Сольницев Р.И., Соложенцев Е.Д. Вопросы формализации и интеллектуализации процессов проектирования. СПб.: РАН, 1992. 50 с.

5. Булатов В.П., Сольницев Р.И., Фридлен-дер И. Г. и др. Основы теории точности машин и приборов. СПб.: Наука, 1994. 340 с.

6. Сольницев Р.И., Галанина В.А., Козенко С.Л. Информационные технологии на начальных этапах жизни изделия // Труды Международного конгресса "Конструкторско-технологи-

INFORMATION TECHNOLOGIES IN INSTRUMENT ENGINEERING

R. I. Solnitsev

Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, Saint-Petersburg

The paper describes the methodology of design and manufacturing processes in instrument engineering. An approach to forming a CAD subsystem for support, management and qualitity control of design and manufacturing processes for decision making persons is developed.

ческая информатика 2000". М.: Гос. ун-т технолог. "СТАНКИН", 2000. Т. II. 158-160 с.

7. Сольницев Р.И. Информационные технологии в проектировании. СПб.: ГУАП, 2000. 105 с.

Государственный университет аэрокосмического приборостроения, Санкт-Петербург

Материал поступил в редакцию 09.10.2001.