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.

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:

R = { X i = Ф ( x 1 , x 2 ,..., X n )}      i = U N ,     (1)

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

K = F ( k 1 ,..., k m ),                     (2)

где K — показатель эффективности, функционал от критериев формирования R ; m — количество критериев (точность, масса, габариты, качество, надежность, удобство технического обслуживания, эргономичность).

O = ( O 1 , O 2 ,..., O r ) ,                  (3)

где O — вектор ограничений формирования R при заданном K .

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

M критериев Xj П Xj < 1 или Uj j=1

дельных решений.

полезность от-

Требуется:

Найти X i , i = 1, S <<  N , ( S <  3 ) при

s = 1

где r s — комплексная свертка значений критериев одного варианта, f — функция получения свертки f ^ { F }.

Функцию f можно отыскивать разными способами и формами.

Наиболее простая форма — аддитивная f ^ ^Xiki, rs = X1 ks 1 + X2ks2 + ... + Xmksm , S = 1, M . (5)

Выбор k i,j осуществляется на основе статистических методов обработки экспертных оценок, где все k i — относительные величины:

^ki =

i ,max k i

(элементы формулы описаны ниже), или специальными методами.

Выделяя для мажоритарной оценки качества прибора основную его характеристику k1 — точность и указывая все остальные составляющие (k2 — надежность, k3 — стоимость, k4 — весогабаритные данные, k5 — наличие резервов, k6 — ущерб при отказе, k7 — ремонтопригодность), (2) можно представить в виде

K = X 1 k 1 + X ₂k 2 + X 3 k 3 + X ₄k 4 + X 5 k 5 + X ₆k 6 + X 7 k ₇. (6)

В частности, K 3 можно записать в виде:

к 3 = ³ " C ¹ - C ² - C ³ ,           (7)

где З — стоимость (цена) изделия (руб./год), С 1 — удельные затраты на изготовление и разработку изделия (или n изделий) (руб./год), С 2 — стоимость эксплуатации и ремонта (руб./год), С 3 — стоимость причиненного ущерба при отказах (руб./год) за время t <  T .

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

Раскрыть выражение (2) можно в форме mm

K = X X i k i — * ^ X i k i ,      (8)

i = 1        / C max i = 1

где Xi — весовой коэффициент i-го показателя качества, k, = k,   /k, — относительный показа- i       i,max i тель качества, ki — абсолютный (текущий, проектируемый) показатель качества, ki,max — максимально допустимый показатель качества, С — стоимость решения (изделия), Сmax — максимально допустимое значение стоимости.

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

V S, e S 3 R, i j                                    (9)

R =< So, Sk, Sсу, F, K >: S0 ^ Sk, где S0 — начальное состояние объекта (до принятия решения); Sk — конечное состояние объекта (после принятия решения); K — показатель эффективности (2); F — множество операторов, переводящих S0 в Sk; Scy — состояние системы управления проектнопроизводственным процессом.

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

' X i k ii + X 2 k 12 + ... + X m k 1 m = U 1 ,

-                                               (10)

• X 1    k n 1 + X 2 k n 2 + ... + X m k 1 m = U ^ ,

где U 1 >  U 2 >  ... >  U N , П X j <  1, N — количество вариантов решения в (1); U 1 ,…, U N — полезность решений; m — количество критериев в (2); Xj — весовые коэффициенты ( j =1, m ); k i,j — j -й критерий i -го варианта в относительных величинах.

ЛПР назначает U i , например

U 1 = 1, U 2 = 0.9, U 3 = 0.7, …, U N = 0.1.

Тогда из (10) находим

• ^X 1    k 11 + ^X 2 k 12 + ... + ^X m^k 1 m = 1,

• ^X 1    ^kN 1 ^{+ X} 2 ^kN 2 ⁺ ... ^{+ X} m^k 1 m = 0.1.

Для каждого варианта решения i с ост авляется строчка из значений критериев K ij ( j =1, m ); решается система алгебраических уравнений (10) относительно X j -; составляются свертки (4); выбирается s- е Х — X_s , соответствующ е е max{ r_s }, и соответственно оценивается U s —U_s ; составляется невязка A = U_s - U s |. Если A <  5 д _оп , 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.