БАЗЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ: А.Ю.Селезнев, И.С.Зуевский, студенты 4-го курса Кафедра РК6 (Системы автоматизированного проектирования) МГТУ им. Н.Э.Баумана Многие предприятия, фирмы, организации, конструкторские бюро или просто производители какого-либо вида продукции работают и осуществляют достижение своих целей, во многом опираясь на традиции. Например, они используют раз и навсегда выбранный путь производства, заказывают часть технологического маршрута у своих старых, но уже потерявших экономическую выгоду партнеров, оглядываются на своих же конкурентов, не желающих или не способных перейти на новый технологический уровень, и, таким образом, упорно не хотят видеть новые или другие, более выгодные, идеи в разработке и осуществлении производства, технологических процессов и решений. Все эти и многие другие причины способствуют моральному старению, снижению качества производства и ресурса выпускаемых изделий, приводят к большим затратам времени и средств на проектирование, на ввод производства в серию и, собственно, на само производство в целом. Также, что самое главное, эти причины пагубным образом влияют на экономический эффект производства, а именно – являются следствием расхода финансов впустую на более дорогой, но ничем не оправданный, способ производства (проектирования), или же заставляют производителей прилагать чрезмерно высокие усилия для получения изделия (конечного результата), использовать при этом неподходящее оборудование, технологические маршруты, программное обеспечение. Избежать описанных проблем помогает информационное обеспечение. Это базы и банки данных, экспертные системы (базы знаний), идея которых состоит в концентрировании справочных данных, готовых решений обширного круга задач, основанных на экспериментальных данных или строго научных расчетах. Базы знаний должны создаваться, а также регулярно дополняться и обновляться с привлечением грамотных специалистов в каждой конкретной области – экспертов. Конструктору – пользователю базы знаний – не обязательно быть компетентным во множестве областей, он может пользоваться готовыми решениями, созданными экспертами. В числе прочих, составляющими частями баз знаний являются так называемые базы технологических решений (БТР), о которых и пойдет речь в этой статье. В настоящее время в промышленно-производственном мире имеется огромное количество инженерных, технологических, производственных и информационных наработок и идей, в том числе программных продуктов, которые помогают в значительной степени упростить выполнение конкретно поставленной технической задачи. Наработки и идеи, относящиеся к одной предметной области, могут существенно отличаются друг от друга по принципу их реализации и порядку выполнения их отдельных частей. Проще говоря, конечного результата можно достичь различными технологическими путями и средствами, естественно, не равнозначными с точки зрения экономической целесообразности. Например, крупную серию стальных деталей удобнее получать штамповкой, в то время как для получения одной-двух деталей весьма нецелесообразно изготавливать штамп и настраивать пресс, их можно выточить из болванки на токарном станке. Однако, реальные задачи инженеров и проектировщиков далеко не так тривиальны, как только что рассмотренный пример. Процесс выбора тех или иных возможных путей решения задач представляет определенную трудность для разработчиков на тех этапах, когда необходимо ответить на вопросы вроде: где, каким способом и на каком оборудовании производить обработку и производство какого-либо изделия; какой технологический процесс при этом использовать; какой программный продукт выгоднее и удобнее применить при проектировании и разработке будущей продукции? Иногда встает вопрос – на каком из предлагающих свои услуги и производственные мощности предприятий осуществить ту или иную производственную операцию с наиболее выгодными для себя условиями и промежуточными результатами? Какие материалы использовать для изготовления сложных, не поддающихся быстрому анализу и расчету, деталей, но для которых подбор можно осуществить, опираясь на опыт и ряд закономерностей, накопленных за длительный период изготовления и эксплуатации подобных изделий? Способ анализа технологичности конструкции также порой приходиться выбирать из множества различных процедур реализации. Многообразие ответов на все эти вопросы не должно являться препятствием к достижению главной поставленной цели – получение качественного конечного продукта производства по минимальной себестоимости. Для облегчения процесса выбора правильного пути проектирования или производства, который будет полностью отвечать изначально заданным параметрам (требованиям и условиям применения оборудования, материальным ресурсам, требуемым характеристикам конечного продукта) и существуют базы технологических решений. Они могут использоваться для тех производств и работ, где на самых первых этапах требуется быстро выбрать тот или иной вид технологического процесса, поставщика услуг, программный продукт, максимально отвечающий поставленной задаче при наименьших затратах времени и материальных средств. Следует отметить, что каждая БТР направлена на выбор решения задачи в определенной, довольно узкой области. Например, не удастся совместить БТР для выбора литейного оборудования с БТР для выбора штамповочного, так как, во-первых, у литейщиков и штамповщиков разнородные задачи и разные вопросы и, во-вторых, литейное оборудование совершенно не подходит для штамповки, и наоборот. Что же представляет собой база технологических решений? В простейшем случае это плоская таблица, в которой строкам соответствуют «Задачи», с которыми может столкнуться производитель в данной области, а столбцам – «Варианты» их решения. Коэффициент на пересечении «Задачи» и «Варианта» в относительных единицах характеризует пригодность данного варианта для решения данной задачи, причем, как правило, чем больше коэффициент, тем меньше пригодность. Каждая «Задача» дополнительно характеризуется условной относительной трудоемкостью («стоимостью») её выполнения (У.С.1) (см. рис.1), а каждый «Вариант» – условной относительной собственной стоимостью (У.С.2). Пользователь БТР, выбрав из предложенных «Задач» необходимые ему, получает как результат работы БТР условную относительную стоимость использования каждого «Варианта». Естественно, вариант с наименьшей стоимостью максимально подходит для решения совокупности выбранных пользователем задач.
Рис. 1. Структура базы технологических решений
В качестве примера рассмотрим простейшую БТР, позволяющую выбрать наиболее подходящий вид автомобиля для заданных условий эксплуатации. При этом «Задачами» будут всевозможные условия эксплуатации («плохое состояние дорожного полотна», «грузоподъемность от 1,5т до 3т», «число пассажирских мест 8-15» и т.п.). «Вариантами» же будут различные виды автомобилей («легковой», «малотоннажный», «грузовой», «автобус» и т.д.). В столбец «У.С.1» можно занести условную относительную трудоёмкость выполнения каждой задачи на гипотетическом «среднем» автомобиле. Наиболее легкой задаче приписывается У.С.1 = 1, и относительно неё оценивается трудоёмкость остальных задач. В строку «У.С.2» заносятся относительная средняя рыночная стоимость автомобилей каждого вида. Средний легковой автомобиль, как самый дешевый, получит У.С.2 = 1, и относительно него определяется У.С.2 для всех остальных видов автомобилей. В саму таблицу заносятся коэффициенты, характеризующие пригодность автомобиля к условиям. Причем наиболее подходящим автомобилям (т.е. автобусам для перевозки пассажиров и грузовикам для перевозки грузов) присваивается коэффициент 1, менее подходящим (например, грузовикам для перевозки пассажиров) – присваиваются большие коэффициенты. Для того, чтобы пользователь мог выбрать один из возможных диапазонов варьирования какой-либо величины, вводятся несколько взаимоисключающих задач. Например, в дополнение к задаче «грузоподъемность от 1,5т до 3т» можно добавить «грузоподъемность менее 1,5т» и «грузоподъемность более 3т». Ясно, что для того, чтобы грамотно назначить все условные стоимости и коэффициенты, заполнять соответствующие ячейки БТР должны специалисты данной предметной области, например, научные сотрудники института автотранспорта. Пользователь, выбрав из столбца «Задачи» интересующие его условия эксплуатации, получит по общему для всех баз технологических решений алгоритму, описанному ниже, наиболее подходящий для него вид автомобиля. Можно также привести множество аналогичных примеров построения БТР: «Выбор способа литья при заданных параметрах отливки» («Задачи» - параметры отливки, «Варианты» - способы литья); «Выбор программного продукта, выполняющего заданные функции» («Задачи» - функции продукта, «Варианты» - имеющиеся на рынке программные продукты); и т.д. Приведём общий алгоритм работы всех баз технологических решений. 1) В столбец «И.Д.» (исходные данные) (см. рис.1) пользователь заносит «1» напротив нужных ему «Задач» и «0» напротив ненужных. 2) Для каждого «Варианта» рассчитывается условная относительная стоимость его применения по следующей зависимости:
где УОСПВ – условная относительная стоимость применения данного «Варианта»; УС2 – относительная собственная стоимость «Варианта»; j – порядковый номер задачи в столбце задач; ИДj – 0 или 1, поставленное пользователем в столбце «И.Д.» напротив j-ой задачи; УС1j – условная трудоемкость выполнения j-ой задачи; Кj – пригодность данного варианта для выполнения j-ой задачи (коэффициент в таблице). Из приведенной зависимости можно видеть, что условная относительная стоимость применения «Варианта» тем больше, чем больше его собственная стоимость, и тем меньше, чем более пригоден данный «Вариант» для решения наибольшего числа выбранных пользователем «Задач». При этом также с помощью коэффициентов УС1j учитывается неравнозначность задач с точки зрения трудоемкости. 3) Из полученных условных относительных стоимостей применения «Вариантов» (УОСПВ) выбирается наименьшая. «Вариант», обладающий такой стоимостью и будет самым оптимальным по соотношению цены и пригодности для решения совокупности определенных пользователем задач. Эксперты назначают коэффициенты БТР так, чтобы распределение УОСПВ, вычисленное по этому алгоритму, соответствовало действительности. Теоретически можно создать такую базу, в которой УОСПВ будут иметь реальные физические значения (например, количества денежных средств, необходимых на выполнение того или иного варианта), т.е. они не будут ни условными, ни относительными. Однако, поскольку такая задача очень сложна, абсолютные значения УОСПВ подавляющего числа БТР не имеют никакого физического смысла. БТР даёт ответ, во сколько раз (с точки зрения затрат) один «Вариант» лучше другого, а иногда лишь качественно указывает лучший «Вариант». Технически база технологических решений может быть реализована множеством способов (в зависимости от её объема и сложности) – начиная таблицей на бумаге с расчетами вручную и заканчивая серверами электронных баз данных. В качестве иллюстрации к вышесказанному авторами была разработана функционирующая база технологических решений, позволяющая организатору литейного производства (назовем его условно литейщиком) выбрать наиболее подходящий для его потребностей пакет прикладных программ CAD/CAM/CAE/PDM, с помощью которого можно осуществить автоматизацию проектирования, оформления конструкторской документации, моделирование литейных процессов и т.д. Считаем нужным обратить ваше внимание на то, что авторы, хотя и подробно изучили данную предметную область («Использование пакетов прикладных программ в литейном производстве»), всё же не являются экспертами в ней, и поэтому не рекомендуют использовать свою работу при планировании Вашего реального производства, если коэффициенты не будут скорректированы специалистами. База выполнена как таблица Microsoft Excel ’97. Ознакомиться с ней Вы можете на сайте по адресу http://a88.narod.ru/mgtu001.htm. Кратко опишем процесс создания БТР. Первый этап – начальное изучение предметной области, определение «Задач» и их относительной трудоемкости. Эта информация может быть получена в процессе общения с будущими пользователями БТР. Мы выделили 10 потребностей, которые могут возникнуть у литейщиков; они представлены в Таблице 1. Они в нашей БТР и играют роль «Задач». Их относительная трудоемкость («У.С.1») выбрана из расчета времени, необходимого инженерам для решения той или иной задачи при проектировании вручную.
Разъясним некоторые относящиеся к предметной области понятия. Проектирование сборочных узлов – собственно разработка изделия, состоящего из нескольких деталей, часть из которых может изготавливаться литьем. Анализ технологичности конструкции – определение возможности и целесообразности изготовления детали именно литьем. Проектирование литниковых систем – выбор способа размещения отливки в форме, элементов литейной оснастки и их параметров. Моделирование литейных процессов – создание математической модели процесса заливки расплавленного металла в форму и его затвердевания в ней; с помощью этой модели осуществляется прогнозирование всех процессов в форме (возникновение трещин, пористости и т.п.). Прототипирование – изготовление прототипа детали для наглядного представления её размеров и формы. Прототипирование «вручную» может занимать до нескольких месяцев. Быстрое прототипирование («выращивание») – трехмерная печать модели детали, хранящейся в электронном виде, возможность получать прототипы значительно быстрее – до нескольких дней. Планировка цехов – определение оптимального размещения оборудования и рабочих мест в цехах. Наиболее трудоемкими представляются задачи по оформлению конструкторской документации, прототипированию. Наименее трудоемкими – по выбору способа литья и сплава, анализу технологичности конструкции. Второй этап создания БТР – изучение вариантов решения поставленных задач. Здесь хороши любые достоверные источники информации, причем, чем больше будет предложено вариантов, тем совершенней будет база. В нашу базу включены 19 наиболее известных на мировом рынке пакетов, позволяющих в той или иной степени автоматизировать различные этапы подготовки литейного производства. Они и играют роль «Вариантов». Условной относительной стоимостью «У.С.2» является средняя цена программного продукта, выраженная в относительных единицах. Так, продукту с минимальной ценой присваивается условная стоимость У.С.2 = 1, и относительно неё пересчитываются цены остальных продуктов. В созданной нами базе пакеты прикладных программ приводятся в порядке возрастания их условной стоимости. Вот краткие описания рассматриваемых программных продуктов, из которых станет ясно, для каких задач более всего подходит тот или иной из них. Также приводятся и средние стоимости продуктов (информация о ценах получена из различных источников Интернет в июле 2001 г.). КОМПАС 5 (производитель – Аскон; ср. стоимость – $1300, У.С.2 = 1). Основные компоненты: КОМПАС-ГРАФИК – автоматизация проектно-конструкторских работ в различных отраслях деятельности. Используется в машиностроении, архитектуре, строительстве, составлении планов и схем; позволяет разрабатывать и выпускать графические и текстовые документы – расчетно-пояснительные записки, технические условия, инструкции, разнообразные спецификации, ведомости и прочие табличные документы. Встроены библиотеки стандартных изделий, материалов, типовых проектных расчетов. КОМПАС-3D - система трехмерного твердотельного моделирования. LS Flow (Лоция Софт; $1500, У.С.2 = 1,2). Профессиональное средство для комплексной автоматизации управления бизнес-процессами и документооборотом предприятия, формализация деловых процедур, контроля исполнительской дисциплины и анализа загрузки сотрудников. Использование LS Flow с системой управления документами DOCS OpenT и системой PDM PartY позволяет построить законченную систему автоматизации технического документооборота масштабов предприятия. При этом возможна автоматизация утверждения документации, проведение изменений, поддержка жизненного цикла документов и изделий, регистрация документов канцелярии и др. Rapid Tools (DeskArtes; $1500, У.С.2 = 1,2). Набор вспомогательных программ, решающих специфические задачи быстрого прототипирования. Облегчает обработку геометрических моделей, созданных в системах CAD, для вывода их на 3D-принтеры, стереолитографы. Средства импорта моделей из систем СAD в наиболее популярных форматах, генератор сетки (Facetor), средства редактирования сетки (Editor, Offset, Boolean, Refine), генератор оснований под прототипы (Supports), средство разбивки на слои (Slice). PartY PLUS (Лоция Софт; $1800, У.С.2 = 1,4). Автоматизированная система управления информацией об изделии и проектными данными (система PDM). Позволяет решать широкий круг задач, связанных с автоматизацией деятельности предприятия. Система построена в прогрессивной архитектуре "клиент-сервер", что обеспечивает ее высокую производительность, надежность и отказоустойчивость. Используемая модель данных надежно защищает информацию от несанкционированного доступа. AutoCAD (Autodesk Inc; $3200, У.С.2 = 2,5). Самая популярная в мире система автоматизированного проектирования узлов и деталей машин. Содержит множество возможностей: от повышения скорости работы и интеллектуальных объектных привязок до возможности работы с растром и подготовки Internet-ресурсов. Открытая архитектура, встроенная система визуализации. Является основой многих других приложений для многих областей проектирования. Tech CARD (НПП Интермех; $3300, У.С.2 = 2,6). Комплексная система автоматизации технологической подготовки производства. Включает базовое программное обеспечение для реализации задач технологического проектирования и информационное обеспечение для различных видов производств: система организации и ведения архива документации; САПР технологических процессов обработки; иллюстрированный классификатор и паспортные данные оборудования, а также его размещение по цехам и участкам; иллюстрированный классификатор и анкеты технологической оснастки; перечень материалов и видов заготовок с указанием сортамента; технологические операции согласно классификатора и соответствующие им параметры, сценарии к операциям, привязки и типовым переходам. LCAD (НПП Интермех; вместе с AutoCAD - $6000, У.С.2 = 4,6). Предназначен для автоматизации процесса формирования графической и текстовой документации технологических планировок производственных цехов и участков, реорганизации существующего производства, а также получения справочной информации по установленному на производстве оборудованию. Требует установки AutoCAD. ПОЛИГОН (ЦНИИ Материалов; $7000, У.С.2 = 5,4). Система анализа литейных процессов. Позволяет моделировать литейные процессы для алюминиевых сплавов и стали: затвердевание; образование усадочных раковин и макропористости, образование микропористости; развитие деформаций в интервале затвердевания; для серого чугуна - формирование структуры металлической основы, распределение прочности и твердости. LVMFlow (НПО МКМ; $7200, У.С.2 = 5,5). Профессиональная система пространственного моделирования литейных процессов, позволяющая автоматизировать рабочее место технолога-литейщика. Базируется на длительных исследованиях и разработках в области компьютерного моделирования литейных процессов. Область применения пакета – различные способы литья. SolidWorks (SolidWorks Crp.; $8400, У.С.2 = 6,5). Система твердотельного параметрического моделирования машиностроительных конструкций. Позволяет создавать трехмерные модели деталей, сборочных единиц, генерировать чертежи. Результатом является пространственная твердотельная параметрическая модель детали или сборки, которая затем передается в партнерские системы инженерных расчетов, проектирования технологической оснастки или системы генерации управляющих программ для станков с ЧПУ. MAGMASOFT (MAGMA GmbH; $8700, У.С.2 = 6,7). Включает в себя: preprocessor (подготовка модели), enmeshment (генератор FD сетки), simulation (расчетный модуль), postprocessor (визуализация результатов), database (база данных материалов отливки и формы). Имеет средства твердотельного моделирования. В полном виде имеет следующие модули: MAGMAlpdc (литье под низким давлением), MAGMAhpdc (литье под высоким давлением), MAGMAdisa (моделирование литья в безопочные формы для линии DISAMATIC), MAGMAiron (чугунное литье). PAM-CAST/Simulor (ESI Group; $9600, У.С.2 = 7,4). Система моделирования литейных процессов. Система позволяет моделировать литье в песчаные формы, в кокиль, под низким давлением, высоким давлением и другие. Моделирует течение металла, затвердевание и усадку, а также структуру сплава. Дополнительно могут быть приобретены модули расчета пористости алюминиевых сплавов и моделирования зарождения и роста графитовых включений в чугуне. САПР “Отливка” (ЗАО «Литаформ»; $10000, У.С.2 = 7,8). Позволяет проработать чертеж детали с целью определения возможности изготовления отливки выбранным способом. В процессе диалога заполняется и накапливается необходимая техническая документация. Предоставляет возможность технологу в диалоговом режиме в зависимости от конструктивных особенностей отливки и технологии изготовления определить параметры литниковой системы. T-Flex (Топ Системы; $10500, У.С.2 = 8,1). Комплекс программных средств для решения задач автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства: управление проектами и техническим документооборотом, создание трехмерной модели изделия, создание конструкторской и технологической документации на изделие, всесторонний анализ изделия, создание технологической оснастки для изготовления изделия, подготовка программ для станков с ЧПУ. EUCLID (MARTA Datavision; $11000, У.С.2 = 8,5). Обладает полным набором возможностей по проектированию и дизайну изделий, имитации работы механизмов, подготовке управляющих программ и моделированию процессов изготовления изделий. Подсистемы EUCLID: промышленный дизайн, проектирование узлов сложной формы с динамическим контролем процесса сборки, моделирование механизмов с учетом инерционных нагрузок и характеристик, проектирование литейных форм с моделированием заливки, отвердения металлов и контролем возможных дефектов, подготовка программ сложной ЧПУ-обработки. Microstation (Bentley Systems Inc; $12000, У.С.2 = 9,2). Мощное средство трехмерного моделирования, конструирования, визуализации моделей. Использует параметрическое моделирование, что позволяет быстро перебирать варианты при конструировании, а также выпускать широкую номенклатуру типовых изделий единым проектом; редактирование трехмерных моделей; проектирование литниковых систем; «предпечатная» обработка моделей для быстрого прототипирования. Pro/Engineer (Parametric Tecnology Crp.; $12000, У.С.2 = 9,2). Мощная CAD-система, используемая при проектировании сложных изделий (автомобили, водный транспорт). В литейном производстве может использоваться для разработки литейной оснастки и обработки геометрических моделей для быстрого прототипирования. САТIА (IBM; $15000, У.С.2 = 11,5) Обеспечивает заказчику любого уровня возможность создавать свою системную среду для 3D моделирования изделий и моделирования их поведения. Покрывает все виды процессов создания изделия, от концептуального проектирования и инженерного анализа до подготовки управляющих программ для производства. Поддержка каталогов стандартизованных конструктивных элементов. Flow-3D (Flow Science, Inc; $45000, У.С.2 = 34,5). Набор мощнейших программных модулей для точного математического моделирования процессов гидродинамики и теплообмена. Помимо моделирования гидросистем, широко используется в металлургическом производстве для моделирования всех способов литья. Дает возможность проанализировать на этапе проектирования способы подвода металла, конструкцию литниковой питающей системы. Ознакомиться с более полным описанием пакетов прикладных программ, а также найти ссылки на официальные сайты продуктов и производителей Вы можете по адресу http://a88.narod.ru/mgtu001.htm.
Третий этап – назначение коэффициентов таблицы (см. Таблицу 1). Таблица заполняется по строкам, т.е. отдельно для каждой задачи. Занятие это довольно сложное и кропотливое: необходимо численно определить, «во сколько раз» один продукт выгодней другого, третьего и т.д. Проводится многосторонний сравнительный анализ – все программные продукты попарно сравниваются друг с другом по нескольким признакам: быстродействие, удобство интерфейса, многообразие реализуемых функций, направленных на выполнение данной задачи. В результате каждому продукту приписывается коэффициент; соотношения между ними и будут характеризовать соотношения выгодности использования продуктов для решения данной задачи. Самому подходящему продукту приписывается «1» – соблюдение этого правила для каждой задачи позволит при работе БТР правильно учесть условные трудоёмкости задач. Как правило, коэффициенты 1 – 3 приписываются специально предназначенным для решения данной задачи продуктам. Пример – LCAD для планировки цехов. Коэффициенты больше 3 приписываются продуктам, специально для данной задачи не предназначенным, но позволяющим в некоторой степени упростить выполнение этой задачи инженером. Пример – Microstation используется для проектирования сборочных узлов, однако функции параметрического моделирования могут применяться и при планировке цехов. Если программный продукт вовсе не подходит для выполнения данной задачи, то в качестве коэффициента ему приписывается какое-либо число, много большее любого числа во всей базе (в нашем случае это «100»); оно символизирует бесконечность. В результате получится «бесконечная» стоимость решения данной задачи с использованием данного продукта, и, если пользователю эта задача нужна, то этот программный продукт ни в каком случае не «выдержит конкуренции» по условной стоимости применения с прочими продуктами. Пример – Rapid Tools для планировки цехов. В том случае, если трудно определить, какой из двух продуктов более подходит для данной задачи, допускается приписывать им равные коэффициенты, они будут считаться эквивалентными. В Таблице 1 также приведён пример использования БТР. Пусть литейщику нужен программный продукт, выполняющий анализ технологичности конструкции, выбор способа литья и сплава, проектирование литниковых систем, выбор оборудования, материалов и режимов работы, планировку цехов и оформление конструкторской документации. Рассчитав условные стоимости применения программных продуктов, можно видеть, что по совокупности решаемых задач пользователю более всего подходит пакет Tech CARD. Таблица 2.
*) Нумерация задач соответствует Таблице 1. Реклама: севастополь сайт © Интерсоциоинформ. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
