Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИФ 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 учной степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2012
Работа выполнена на кафедре технологии приборостроения в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования СанктПетербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО).
Научный консультант:
кандидат технических наук, доцент Яблочников Евгений Иванович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Лавровский Сергей Константинович (профессор кафедры Технологии комплексных инноваций СПбГПУ) кандидат технических наук, старший научный сотрудник Шилов Николай Германович (старший научный сотрудник СПИИРАН)
Ведущая организация:
ОАО Научно-производственное предприятие УСигнаФ, Санкт-Петербург
Защита состоится л14 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 л_____ _____________ 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 их достаточной конкурентоспособности необходимо использовать современные формы кооперации, а также повышать эффективность решения задач технологической подготовки производства (ТПП). Широко распространнным видом кооперации, использующим как внутренние ресурсы предприятия, так и возможности его партнров, является расширенное предприятие (РП).
Эффективное функционирование РП требует упрощения организационной подготовки производства и внутренней интеграции партнров 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 трхмерных 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 трехмрной модели как источника не только геометрической, но и конструкторско-технологической информации об изделии. При этом трхмерная 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 конструкторскотехнологических моделей (КТМ) изделий, на основе которых осуществляется интеграция в АСТПП. При этом 3D-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 трхмерных 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 счт интеграции е 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 трхмерных моделях изделий.
Разработать методику и алгоритмы построения конструкторскотехнологических элементов (КТЭ) на базе трхмерных моделей изделий с последующим формированием конструкторско-технологической модели изделия.
Определить способы использования трхмерной модели при поиске изделийаналогов, 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 конструкторскотехнологических 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 конструкторскотехнологической модели изделия.
Предложена классификация технологий быстрого прототипирования, учитывающая особенности описания конструкторско-технологических элементов.
Практическая ценность работы Разработаны алгоритмы анализа трхмерных 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 конструкторскотехнологической модели.
Создан прототип подсистемы, решающей задачи отработки изделия на технологичность на основе трхмерной модели, включая геометрический анализ, поиск аналогов и выбор оборудования.
Разработан классификатор оборудования быстрого прототипирования, базирующийся на структурных элементах и особенностях трхмерных моделей.
Реализация результатов работы Разработанные автором алгоритмы и методики решения задач ТПП на основе использования трхмерной 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 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 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 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, четырх 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 первоочердные задачи, решаемые при отработки изделий на технологичность в рамках АСТПП; проведн 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 CAD\CAM\CAE-систем привело к широкому внедрению трхмерных моделей в качестве основного элемента при решении задач ТПП. В настоящее время чертж вс ещ остатся главным документом при проектировании ТП, но во вс большем числе задач ТПП используется трхмерная модель. На рис. 1 показаны задачи, решение которых наиболее эффективно выполняется с помощью трхмерных моделей.
При использовании трхмерной модели изделия в качестве ключевого элемента ТПП упрощается процесс создания технологической документации и исчезает необходимость в дополнительном проектировании, когда по чертежу создаются отдельно трхмерные заготовки, а также конечная модель изделия, непосредственно используемая при производстве. Таким образом, исключаются указанные дополнительные работы. Длительная история развития CAD-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 трхмерной геометрии должно основываться на особых требованиях, связанных со спецификой решения задач ТПП. Трхмерная модель должна кроме самой геометрии изделия содержать конструкторскотехнологические параметры в таком виде, который позволял бы однозначно определить соотношения между отдельными элементами и их параметрами.
Вторым критерием, определяющим насколько трхмерная модель изделия подходит для применения в РП, является уровень взаимной интеграции участников на основе е 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.
Рис. 1. Центральная роль 3D-модели изделия Экспорт информации в нейтральный формат, который используется для интеграции участников РП, открывает значительные возможности по информационной интеграции подсистем АСТПП. Результаты анализа показали, что наиболее эффективно использовать стандарт STEP AP 242, предназначенный для отображения и хранения трхмерных 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 конструкторскотехнологических параметров;
поиск аналогов на основе параметров изделия и структуры трхмерной модели;
поиск оборудования для изготовления изделия.
В первую очередь, из трхмерной модели нужно выделять конструкторскотехнологическую информацию. Анализ показал, что максимальную полноту представления данных об изделии, простоту их восприятия и однозначность толкования предоставляет стандарт представления трхмерных аннотаций средствами CAD-системы. При этом, в соответствии со стандартом, трхмерные аннотации являются одним из способов отображения данных об изделии, представляющихся и хранящихся в цифровом виде совместно с трхмерной 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 трхмерных 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. 2б).
Одно из последних нововведений в CAD системах - поддержка сохранения трхмерных 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 трхмерных моделей.
Поддержка целевых задач отработки на технологичность требует разработки методик, базирующихся на использовании трхмерной модели изделия и позволяющих автоматизировать процесс получения конструкторскотехнологических данных об изделии. При этом сформированные алгоритмы анализа должны, в первую очередь, быть применимы для производства единичной и мелкосерийной продукции.
(а) (б) Рис. 2. Полное представление аннотаций на модели (а) и представление после применение фильтра по виду аннотаций (б) Во второй главе диссертации описана методика анализа трхмерной модели изделия и извлечения конструкторско-технологической информации;
представлен способ кодирования внутренней структуры трхмерной 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 определнный 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 учтом его конструкторских и технологических характеристик.
На первом этапе из трхмерной 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={(Тчi, LinkТчi)| iI;iN }, где Тчi-точка, LinkТчi - ссылка на данную точку в структуре модели; I - количество точек в модели; N - множество натуральных чисел. При этом каждая точка записывается в виде:
Type('Name',(Coord1, Coord2, Coord3)), где Type - наименование типа примитива; Name - имя точки, задаваемое CAD-системой; Coord1, Coord2, Coord3 - координаты точки, которые в случае использования декартовой системы заменяются соответственно на X,Y и Z.
инии, окружности и плоскости описываются соответственно: Лн ={(Лнi, LinkЛнi)| iI;iN }; Ок ={(Окi, LinkОкi)| iI;iN}; Пл ={(Плi, LinkПлi)| iI;iN}.
Элементы более высокого уровня также представляют собой множества:
Цилиндры - Цл={(Цлi, LinkЦлi)| iI;iN}; Конусы - Кн ={(Кнi, LinkКнi)| iI;iN}; Сферы - Сф ={(Сфi, LinkСфi)| iI;iN}и 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={(Крi, LinkКрi)| iI;iN}.
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 путм 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 определнному геометрическому элементу или конструкторскотехнологической 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 по частичному совпадению геометрических элементов с последующим ранжированием результатов. Последовательность представления найденных аналогов определяется степенью их подобия.
Для анализа геометрического подобия изделий используется параметр Pi = Max(размер, угол, средняя), где Pi - нормированное отклонение элемента аналога от соответствующего элемента в изделии; размер - нормированное отклонение размера элемента; угол - нормированное отклонение угла элемента; средняя - нормированное среднее отклонение всех параметров (размеры, положение, угол); i - порядковый номер сравниваемого элемента; I - общее количество сравниваемых элементов. Тогда степень подобия определяется как:
№ ТЭ ПБС НЭ БФ Параметры элемента X Y Z X Y Z 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 трхмерной модели, а также полученные в результате поиска по базе данных, отражать в формализованном виде как конструкторско-технологическую модель (КТМ) изделия. При этом, учитывая е 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, использующихся для определения КТЭ во втором типе правил. Например, выражение У$K1=($Dlina)/($DD)Ф определяет значение коэффициента УK1Ф как отношение длины элемента УDlinaФ к разнице диаметров УDDФ(для конического элемента).
Третий тип правил связывает значение коэффициентов с определнным видом КТЭ. Например, выражение УKonus:{$K1%>2.;$K3%<5.}Ф указывает, что при определнном соотношении значений коэффициентов КТЭ относится к типу коническая поверхность, обозначенная как У Konus Ф.
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 (K1>2) и (K3<5), то (Тип КТЭ = Конус) Если (K1<2) и (K3>5), то (Тип КТЭ = Фаска) Если (K12) и (K35), то (Использовать механизм нечткого вывода) При этом граничные значения коэффициентов 2 и 5 выбраны на основе анализа различных конструкций изделий и способов их изготовления.
Соответственно механизм нечткого вывода должен включать модуль пересчта 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 трхмерных 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 трхмерной модели аннотации должны храниться в привязке к элементам изделия с указанием непосредственных характеристик.
Возможность сохранения аннотаций в формате STEP, постепенно вводимая в современных CAD-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 конструкторскотехнологическую 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 определнной технологии изготовления (например, наличие КТЭ УуклонФ 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 программ для различных видов оборудования. В результате возможна генерация УП на основе специального модуля. Этот модуль использует БЗ, с помощью которой выбираются коды УП по определенным правилам на основе анализа заданного КТЭ и учта типа оборудования.
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 информационноуправляющей 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 определнного количества результатов они выстраиваются согласно следующей формуле, определяющей коэффициент соответствия:
, где - весовые коэффициенты, зависящие от технологии производства и определяющие значимость соответственно размеров, материала, геометрии, точности и серийности изделия;
- нормированные отклонения параметров изделия от аналога, определяемые для размеров, материала, точности и серийности;
- 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:
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 учтом 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 - квалитет). 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 координатноизмерительных машин (КИМ) с использованием геометрических элементов и конструкторско-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 Убыстрое производствоФ 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 УподдержекФ, 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.
Учт особенностей проектирования поддержек имеет большое значение, так как влияет как на геометрические параметры изделия, так и на его функциональные характеристики. Созданная классификация основных технологий быстрого прототипирования базируется на особенностях трхмерной модели изделия, изготавливаемого с помощью указанных технологий (рис 6).
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 PDM SmarTeam 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 Python 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 трхмерных моделей изделий. Для выполнения поиска аналогов в паспорте трхмерных моделей зафиксированы основные параметры, включая описание геометрических элементов, полученных по результатам анализа трхмерной модели. Поиск аналогов может быть выполнен по любой комбинации этих параметров.
Структура КТМ изделия, реализованная в PDM-системе, представлена в виде дерева взаимосвязанных классов и подклассов (рис 7).
Рис. 7. КТМ изделия, представленная в PDM-системе SmarTeam Рассмотренные в работе методики и способы повышения уровня автоматизации ТПП были использованы в проекте создания интегрированной распределнной 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 УОборудованиеФ, который для RP/RM-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, Y, Z; Скорость печати; Входной формат.] На основе классификатора технологий быстрого прототипирования и учта особенностей трхмерных моделей был сформирован алгоритм выбора технологического метода производства изделия, базирующийся на имеющемся в наличии оборудовании (рис. 8).
Рис. 8. Алгоритм фильтрации технологий быстрого прототипирования с учётом особенностей трёхмерной модели изделия На рис. 8. отражены критерии фильтрации в соответствии с представленной 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 УЦентра прототипированияФ, а также в научноисследовательской 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 счт 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 трхмерных аннотаций.
2. Разработана методика и алгоритмы распознавания конструкторскотехнологических 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. Конструкторскотехнологическая модель включает параметры изделия и результаты, формируемые программными модулями при отработке изделия на технологичность.
4. Разработана методика поиска изделий-аналогов, основанная на сравнении конструкторско-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 PDM-системы SmarTeam в виде специализированных модулей, расширяющих базовые возможности системы и позволяющие построить АСТПП на е основе.
Предложенные методики и алгоритмы позволяют перевести АСТПП на новый качественный уровень и повысить эффективность решения е задач в условиях реализации проектов изготовления изделий при единичном и мелкосерийном производстве. Применение данных методик дат 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 А.А., Пирогов. А.В. Алёшина Е.Е. Использование технологии оптического сканирования при подготовке производства новых изделий // Известия вузов. Приборостроение. 2010 Том 53, выпуск №8. С. 60-64.
1. Грибовский А.А. Системная интеграция при моделировании и изготовлении изделий в среде расширенного предприятия // Научнотехнический Вестник. 2011. Том 73, выпуск №3. С. 71-74.
2. Грибовский А.А., Афанасьев М.Я. Организация единого информационного пространства виртуального предприятия // Научно-технический Вестник.
2011. Том 76, выпуск №6. С. 113-117.
3. Грибовский А.А. 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 А.А., Яблочников. Е.И. Применение методов оптического сканирования в подготовке производства изделий // Сборник аннотаций студенческих выпускных квалификационных работ СПбГУ ИТМО. 2009 - стр. 67-68.
5. Грибовский А.А., Пирогов А.В., 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. 76Ц77.
6. Грибовский А.А., Пирогов А.В., 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 А.А., 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 А.А., 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 А.А., 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 А.А., Тамбовцева Н.А. 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 60х841/16 Цифровая Печ. л. 1.Тираж 100 Заказ 07/04 печать Отпечатано в типографии Фалкон Принт. Корректор Викулин А.В.
(197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям