Об оптимизации структуры данных PLM и ERP-систем за счёт унификации КТЭ деталей машин

К. К. Васильев, В. В. Балабанов // Радиотехника,

1991.-№ 10.-С. 86-89.

4. Представление и быстрая обработка многомерных изображений / К. К. Васильев, В. Р. Крашенинников, И. Н. Синицын, В. И. Синицын // Наукоёмкие технологии.-2002.-Т. 3,№3.-С.<4-24.

5. Васильев, К. К. Ковариационные функции ошибок линейной фильтрации многомерных случайных полей / К. К. Васильев, В. Е. Дементьев /У Труды РНТОРЭС им. Попова. - 2006. -С. 170-172.

6. Васильев, К. К. Обнаружение протяжённых аномалий на многомерных изображениях / К. К. Васильев // Вестник УлГТУ. - 2006. - № 3.

Дементьев Виталий Евгеньевич, аспирант кафедры «Телекоммуникации». Имеет труды в об-ласти обработки многомерных случайных полей и обнаружения аномалий. Победитель всероссийского конкурса «Инновационные проекты аспирантов и студентов 2006».

УДК 621.058.013.8

А. Ф. ШИРЯЛКИН, С. А. КОБЕЛЕВ

ОБ ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ ДАННЫХ Р1М- И ЕКР-СИСТЕМ ЗА СЧЁТ УНИФИКАЦИИ КТЭ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Рассмотрены некоторые аспекты автоматизации технической подготовки производства в сфере системного качества производственных процессов. Последнее напрямую связано с качеством классификации деталей машин и их конструктивно-технологических элементов - первичных кирпичиков информации о детали, от которых зависит не только качество конечной продукции, но и качество

автоматизированной информационной поддержки.

Ключевые слова: оптимизация, унификация, интеграция, классификация, автоматизация, САПР.

Вероятно, никто не подвергнет сомнению тезис, что информация о любом, даже самом незначительном объекте, изделии - бесконечна. Однако количество информации, необходимое для изготовления этого изделия с заданной точностью, конечно, хотя и достаточно велико. Поэтому для подготовки его производства требуется значительное время и ресурсы, что особенно характерно для сферы машиностроения.

Машиностроительное производство, являющееся предметом наших исследований, с системной точки зрения представляет сложную открытую человеко-машинную систему. Человек как основная часть системы переработки информации ограничен во времени и пространстве (количестве объектов одновременного восприятия). Для того чтобы сократить время переработки, следует виртуально расширить пространство восприятия, т. е. информационное пространство рассматриваемого объекта. Эту роль выполняют различного рода информационные технологии и системы.

© А. Ф. Ширялкин, С. А. Кобел ев, 2006

Известно, что для технической подготовки машиностроительного производства используются различного типа САПР (САВ/САМ/САЕ/САРР), роль которых в сокращении цикла подготовки всё более возрастает, а сами системы быстро эволюционируя, непрерывно совершенствуются. Заметим, что экономическая эффективность использования данных систем складывается из многих факторов, важнейшие из которых - глубина уровня детализации исследуемого объекта, степень системности признаков, представляющих информацию на всех уровнях его рассмотрения, а также степень унификации системы. На современном этапе процесс автоматизации уже захватывает большинство стадий жизненного цикла изделия (ЖЦИ), рис. 1. Расширение информационного производственного пространства компьютерной автоматизацией в настоящее время задаётся процессами интеграции, регулируемыми крупнейшими разработчиками САПРIРЕМ.

1. Мапкетинг

12. Утилизация после ис пользования

11. Послепродажная деятельность

10. Техническая помощь и обслуживание

9. Монтаж и экс плуатация

8. Реализация и распределение про дукции

7. Упаковка и хранение

2. Проектирование и/или разработка технических требований, разработка

продукции

3. Материально-техническое снабжение

4. Подготовка и разработка производственных процессов

5. Производство

6. Контроль, проведение испытаний и обследований

Рис. 1. Стадии жизненного цикла продукции

Существующие сейчас различные версии систем PLM (Produkt Lifecicle Management) представляют на сегодняшний момент наиболее развитую и эффективную концепцию, возникшую из продукта интеграции CAD/CAJVÍ/CAE. Например, новая версия пакета Tecnomatix 7.6 фирмы UGS представляет уже не просто цифровое производство (.Digital Manufacturung - DM), под которым понимается подробная компьютерная стимуляция и визуализация реальных процессов производства. Путём более тесной интеграции с комплектом Teamcenter Tecnomatix 7.6 по,одерживает теперь открытую технологию, предлагаемую в рамках семейства решений UGS PLM Components [1]. Обеспечивая информационную инфраструктуру для производственных данных, Teamcenter эффективно использует информацию для всей цепочки поставщиков и предоставляет возможности управления изменениями, документацией, ресурсами, а также вариантами конструкции изделия. Заметим, что подобный процесс был активизирован в результате слияния UGS с компанией Tecnomatix, которую купила в 2005 году за 228 млн долл. [2].

В настоящее время процесс интеграции систем перешёл в новый эволюционный виток, началось объединение систем PLM- и ERP (Enterprise Resourst Planning) [3]. При этом эффективность интегрированной системы зависит от структуры данных, а в машиностроительном производстве, прежде всего, от структуры данных информации о детали. Исследования результата интеграции PLM- и ERP-систем, проведённое компанией CIMdata, Jnk, показали значи-

тельные цифры прироста экономической эффективности. Например, на 75% уменьшаются сроки, издержки и число ошибок, связанные с повторным ручным выводом из РЬМ-системы в ЕЯР-систему, примерно на такую же величину сокращаются сроки, издержки из-за ошибок в спецификациях. Эффективность возрастает также за счёт сокращения стоимости товарно-материальных запасов при повторном использовании элементов конструкции. При этом, общий выигрыш превышает простую сумму результативности труда отдельных сотрудников. При этом, чтобы получить указанное преимущество, создаются условия, при которых непротиворечивая информация доступна всем заинтересованным пользователям на всех уровнях производственного процесса.

В машиностроении основой всей производственной информации является информация о деталях основного производства, изготовление которых по существу составляет суть всего производственного процесса, на что и направлены его главные затраты. Нетрудно также заметить, что при интеграции как процессе оптимизации общей структуры интегрированной системы, далеко не последнюю роль играют процедуры унификации. При этом под унификацией понимается один из важнейших методов стандартизации, заключающийся в приведении объектов одинакового функционального, конструктивного или технологического назначения к единообразию путём рационального сокращения неоправданного разнообразия элементов, составляющих эти объекты. Следует заметить, что при производст-

ве новых изделий в рамках больших технических систем, какими, например, после объединения могут стать интегрированные системы PLM- и ERP, избежать неоправданного разнообразия эволюционирующей информации практически невозможно.

Доказано [5], что развитие больших технических систем эволюционно. Техноэволюция (ТЭ), согласно Б. И. Кудрину, - наука об общих законах развития технической реальности (техники, технологии, материала, продукции, отходов) и принципах создания изделий и их сообществ. Элементарным фактором, направляющим техно-эволюцию, является информационный отбор, действие которого векторизировано. ТЭ представляет собой процесс творческий, основой которого является вариофикация. Вариофикация -делание различного; явление ускоряющегося во времени и увеличивающегося количественно изготовление новых видов продукции эволюционирующих семейств. Это общее стремление к многообразию находит сейчас воплощение в диверсификации.

Учитывая высокую сложность информации о деталях, а также необходимость рассмотрения всей номенклатуры деталей в реальном шаге времени, применение указанных методов, в том числе качественная доставка доступной и непротиворечивой информации всем заинтересованным пользователям, возможно только при применении классифицирования как метода сжатия информации с помощью серьёзной компьютерной поддержки [4].Этот процесс может протекать на разных уровнях технической подготовки производства изделия и стадиях ЖЦИ (1-ГИОКР, конструкторской, технологической, организационной), отражая определённые особенности хода техноэволюции [5].

Согласно теории Б. И. Кудрина, существующая в мире техники техноэволюция повторяет черты биологической эволюции на качественно ином уровне, с отличиями, вытекающими из отделения документа. Информация об изделии в ходе этого процесса проходит различные стадии информационного отбора, опирающегося на ряд принципов и закономерностей. Ведущим из них является принцип наименьшего действия (принцип Окама). Комплект документов изделия, прошедших информационный отбор, становится его генотипом - системой взаимосвязанных единиц информации, отвечающих за структуру и конкретное наполнение самого изделия. Материализованное в процессе изготовления изделие, как совокупность всех реализованных признаков генотипа, называется фенотипом. Он складывается в результате взаимодействия генотипа с

конкретными условиями производственной среды, отбирая из неё соответствующие этому генотипу-' вещественные элементы (в нашем случае элементы технологической системы: заготовка, станок, приспособление, инструмент).

Исходя из сказанного, комплект документации на изготовление конкретной единичной детали рассматриваемого изделия следует представить как ген, точнее техногеп, - единицу наследственного материала, ответственного за формирование какого-либо признака его фенотипа-изделия. Очевидно, что его роль в производственном информационном пространстве предприятия - управление процессом изготовления детали и в целом изделия, важной частью которого является управление качеством этого процесса. Отметим также, что общая структура техногенов - геном наиболее целостно и компактно реализуется кодовым описанием классификационной системы информации о детали (КС). Вместе с тем качество классификации определяет качество генома как качество взаимосвязи техногена данной детали с другими генами. Нетрудно заметить, что от этого напрямую зависит гибкость, оперативность и, в целом, эффективность управления всей производственной системы предприятия.

В свою очередь, качество классификации зависит от степени приближения к естественному типу/, т. е. насколько её признаки существенны на каждом её системно-информационном уровне и насколько структура этих признаков адекватна рассматриваемой производственной системе. Процесс формирования указанной КС при выполнении технической подготовки машиностроительного производства рассматривается в рамках концепции классификационно-эволюционного подхода [4]. С точки зрения этого подхода основная задача создания оптимизированной системы подготовки и управления производства определена как чёткое распределение уровней информации о детали по уровням производственного процесса. Можно также заметить, что детали машин как множество особей, составляющих функциональную структуру конструкции мировой номенклатуры изделий, практически бесконечно разнообразны. В то же время количество конструктивных видов деталей существенно ограничено. Их, согласно исследованиям, по разным источникам'насчитывается всего 5-10 тысяч.

Более низкий уровень рассмотрения производственной информации о деталях - информация об их конструктивно-технологтеских элементах (КТЭ).

Исследование номенклатур деталей различных предприятий и функционирующих на них

систем ТПП выявило довольно незначительное многообразие видов конструктивно-технологических элементов деталей. По нашим данным количество наиболее применяемых видов не достигает и 200. Однако структуры построения этих элементов в исследованных системах самые разные, часто беспорядочные, из-за отсутствия какого-либо оценочного показателя. Это ведёт к резкому усложнению системы информации о детали и неудобству использования и вместе с тем затрудняет её автоматизацию. Установление какого-либо порядка в вопросе использования КТЭ для решения различных системно-технологических задач могло бы значительно облегчить и ускорить весь процесс ТПП. Поэтому необходимо каким-то образом оценивать степень влияния особенностей конструктивно-геометрической информации формы детали на технологию её изготовления.

Одной из интегральных характеристик существенности. а значит и стабильности признака детали, может служить частота его повторения в общей номенклатуре изделий. Хотя этой характеристики явно недостаточно для достоверного определения существенности, однако, на наш взгляд, она даёт качественную оценку объекта. Заметим, что эта характеристика существенно выше частоты повторения вида конкретной де-тали в рассматриваемом множестве. Для количественной оценки существенности признаков используем понятие относительной трудоемкости обработки как одной из наиболее важных и достаточно обобщённых технологических характеристик детали.

Относительность трудоёмкости необходима

для исключения влияния размерного фактора элемента от размеров элемента, в то же время учитывая точность и технологическую сложность его изготовления. Поэтому для оценки доли участия определённых элементов деталей в структурном построении формы последних выделим два следующих параметра: частота применения элементов данного вида (Ч^ и среднюю относительную величину трудоёмкости обработки каждого вида элемента (Тс^). Тогда величину технологической значимости каждого вида элемента Зj можно представить' как меру инте-гративного качественного и количественного влияния технологических факторов изготовления этого вида элемента на формирование обобщённого конструктивно-геометрического образа всей детали и определить следующим соотношением:

Ч х Тси

3г -,

100

где Ч, - частота применения ¡-го вида элемента в номенклатуре, %;

Тср1 - средняя относительная трудоемкость обработки ¡-го вида элемента в номенклатуре деталей серийного производства, %.

По результатам исследований технологической значимости элементов деталей согласно данным регионального банка информации о деталях все их множество разделено на три типа: основные, дополнительные и вспомогательные. Средние величины значимостей этих типов существенно отличаются друг от друга, что представлено на гистограмме (рис. 2).

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

1

2 3

основные элементы

Рис. 2. Гистограмма распределения элементов деталей по средней значимости

Таким образом, основной элемент детали представляет собой наибольшую по площади геометрическую поверхность детали и имеет наиболее высокий показатель значимости. Дополнительные элементы детали - это конструктивные элементы детали, дополняющие её основную форму и имеющие средние показатели значимости; вспомогательные элементы (фаски, скругления, галтели) - это элементы с наименьшей величиной значимости.

При дальнейшем исследовании замечено влияние характера расположения конструктив-но-технологических элементов на трудоёмкость их изготовления. Максимально обобщённое представление о характере расположения элемента детали даёт его центральная продольная ось. Пользуясь им, определим более полное понятие основного элемента детали.

Основной элемент детали (ОЭ) - наибольшая гю площади геометрически и технологически законченная поверхность детали, состоящая из одной или более элементарных поверхностей, имеющая одну продольную центральную ось и наиболее высокий среди элементов показатель технологической значимости.

Основные элементы делятся на три класса: вращения, невращения и комплексные (модульные).

Дополнительные элементы детали - это конструктивно-технологические элементы детали, функционально дополняющие её основную форму и имеющие средние показатели технологической значимости.

Дополнительные элементы разделены натри подтипа (ранга):

- дополнительные элементы 1-го ранга - пазы, отверстия, лыски, зубчатые поверхности, винтовые и резьбовые поверхности. Они обладают наиболее высоким (после основных элементов) показателем технологической значимости;

- дополнительные элементы 2-го ранга, -кольцевые канавки, проточки, радиусы скругле-ний. Эти элементы, хотя и имеют небольшую трудоёмкость, но довольно часто применяемы;

- дополнительные элементы 3-го ранга. определяющие программную (ЧПУ) технологию обработки деталей. К ним, в основном, относятся редко применяемые при операционном описании ТП элементы сложных радиусных и прочих криволинейных поверхностей детали, имеющие, однако, относительно высокую трудоёмкость как программно-числового описания, так и обработки.

Вспомогательные элементы (фаски, скосы, галтели) - это элементы с наименьшей величиной показателя значимости из-за их мизерной трудоёмкости, хотя и имеющие достаточно высокую применяемость.

Таким образом, построение некоторым образом детерминированной структуры КТЭ позволяет перейти к созданию классификационной системы конструктивно-технологических элементов деталей, при разработке которой вероятно использование и других видов признаков. Качество этой классификации будет зависеть от степени приближения к естественному типу, т. е. насколько её признаки существенны на каждом её системно-информационном уровне и насколько структура этих признаков адекватна производственной системе в рассматриваемой области машиностроения. Стандартизация указанной системы может оказать положительное влияние как на эффективность разрабатываемых систем PLM и ERP, так и процесс интеграции России и Европы в целом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. По материалам компании UGS. Tecnomatix 7.6 т -цифровое производство в представлении UGS // CAD/CAM/CAE observter. - 2006.-№2.-С. 37-41.

2. Суханов, Ю. Короли и капуста - 2005 // CAD/CAM/CAE observter. - 2006. - № 2. - С. 13 - 28.

3. Miller, Е.? MacKrell J. Интеграция PLM- и ERP-систем // CAD/CAM/CAE observter. - 2006. - № 1.-С. 28-30.

4. Ширялкин, А. Ф. Формирование естественных классификаций деталей машин для применения в системах автоматизированного проектирования и управления / А. Ф. Ширялкин. - Ульяновск : УлГТУ, 2004. - 151 с.

5. Кудрин, Б. И. Три доклада строенной конференции / Б. И. Кудрин. - М. : Электрика, 2002. -136 с.

©

Ширялкин Александр Федорович, доцент кафедры «Управление качеством», кандидат технических наук зав. лабораторией «Измерения и экспертиза». Имеет труды в области подготовки и управления производством и классификации объектов производства. Кобелев Станислав Александрович, доцент И АТУ, кандидат технических наук. Имеет труды в области автоматизации технологической подготовки производства.