Онтологическая структуризация в параллельном инжиниринге проектирования сборочных приспособлений для летательных аппаратов

Одним из важных критериев конкурентоспособности современного авиастроения является длительность цикла подготовки производства и изготовления. Этот критерий интегрально оценивается в условиях многономенклатурного производства, когда детали и сборки разнообразного функционального назначения могут иметь сложную форму и повышенные требования к качеству. Существенный вклад в интегральную оценку вносит подготовка производства, в первую очередь разработка технологического оснащения (ТО) различного назначения. Прогресс в этой области производства существенным образом определяется его расширяющейся компьютеризацией. Развитие вычислительной техники, математического и программного обеспечения, создание средств автоматизации ввода и вывода графической информации позволили к сегодняшнему дню полностью отказаться от конструктивных и технологических плазов. Первоисточником для производства ТО служит математическая модель детали. Изготовление технологической оснастки осуществляется на станках с ЧПУ, контроль – с помощью контрольно-измерительной машины (КИМ). Несмотря на свершившийся переход на бесплазовые технологии [6], процесс проектирования ТО остался неизменным и цифровые технологии не используются в полной мере. В связи с этим появилась необходимость поиска решения сокращения цикла конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП) за счет параллельного выполнения проектирования летательных аппаратов (ЛА) и ТО.

Для устранения данных недостатков в статье предложено использование концептуально-алгоритмического сопровождения действий и решений работников инженерных служб для уменьшения количества ошибок, возникающих из-за человеческого фактора на стадии КТПП, а также для накопления и использования опыта, применение которого предотвращает ошибки. В этом сопровождении особо важна онтологическая структуризация процессов создания математических моделей ЛА и ТО. В основу реализации прикладной онтологии [1, 10], представляющей онтологическую структуризацию с доступом на компьютеризованных рабочих местах проектировщиков, положены средства концептуально-алгоритмического моделирования комплекса OwnWIQA [5, 7–9].

Проектирование ЛА. Прежде чем переходить к проектированию ТО кратко рассмотрим жизненный цикл (ЖЦ) ЛА на стадии проектирования и КТПП с точки зрения САПР (создание математических моделей деталей ЛА). Проектирование любого ЛА начинается с создания аэродинамического (теоретического) контура ( Aerodynamics ). Затем аэродинамический контур преобразуется в строительную мастер геометрию (СМГ):

G ( Aerodynamics ) — R- ^ G ( SMG LA )

где R - определенная функция преобразований геометрии.

СМГ ( SMG^LA ) представляет собой набор теоретических поверхностей, плоскостей, линий и точек, которые образуют аэродинамический контур ЛА ( LA ) и определяют расположение силового набора, обрезов обшивок, осей вращения и других базовых элементов конструкции ЛА, а также служат основой для построения деталей и сборочных единиц, выходящих на теоретические поверхности или эквидистантных к ним. СМГ, как правило, так же разделяется на СМГ крыла ( SMG^K ), СМГ фюзеляжа ( SMG^F ), СМГ хвостового оперения ( SMG^O ). Данное разделение можно записать в виде:

G (SMGLA )—— G (SMGF ) П G (SMGK) П G ( SMGO )

Дальнейшее разделение рассмотрим на примере СМГ фюзеляжа. В свою очередь СМГ фюзеляжа состоит из набора теоретических поверхностей обшивки ( P^F ) и плоскостей осей стрингеров ( Os^StrpF ), осей шпангоутов ( Os^ShpF ), осей лонжеронов ( Os^LongF ), которые можно представить в виде:

G ( SMGf )—— G (PF) П G (OsShpF) П G (OsS,rF ) П G ( OsLon8F )

В свою очередь наборы поверхностей аэродинамического контура, осей шпангоутов и стрингеров состоят из отдельных поверхностей ( P^F ) и плоскостей ( Os ^shpF , Os^strF Os^strF ):

PF = { P i F , i = 1... n }	(4)
OsShpF = { Osf,pF, i = 1... n }	(5)
Os StrF = { Osf rF , i = 1... n }	(6)
OsLongF = { Os L ongF , i = 1... n }	(7)

Поверхности и плоскости, в свою очередь, представляют собой наборы определенных математических функций f ( x ^; y ^; z ) .

Обобщенное представление дерева построения СМГ показано на рис. 1.

Проектирование обшивки, стрингеров, шпангоутов, начинается от СМГ. Для краткости все детали силового набора обозначим как Elem ^PanelF , тогда:

G (PF) П G (OsSpF) П G ( OsSrF ) П G ( OsL>ngF)—— G (ElemP"®; j = 1... k)

Силовой набор образует отдельные панели ( Panel^F ):

G ( Е1ет^р<амер ; j = 1... k ) —— G ( Panel^F )

G(A erodynamics)

Iя

GfSMG^)

GtOs^’G

G(O^v)

GiOs^"^)

Рис. 1. Обобщенное представление дерева построения СМГ

Из панелей собираются отдельные отсеки фю- зеляжа (OtsekF):

G ( Panel¹ ; i = 1... n )— R — G ( Otsek¹ ) из отсеков - фюзеляж ( Fus LA ):

G ( Panel¹ ) П G ( Elem^lus ) —— G ( Fus LA )

Планер ЛА состоит из фюзеляжа ( Fus^LA ), крыла ( Wing^LA ), и оперения ( Tail^LA):

G ( Fus LA ) А G ( Wing^LA ) А G ( Tail LA ) —— G ( Plan LA )

Математическая модель ЛА ( LA ), как правило , состоит из планера ( Plan^LA ), двигательной установки (Eng^LA ) и систем ( Sys^LA):

G ( Plan LA ) А G (Eng^LA ) А G ( Sys LA ) ——— G ( LA )

Обобщенное представление дерева построения ЛА показано на рис . 2.

Отличительная особенность проектирования трубопроводных систем ЛА от планера заключается в том, что исходными данными для проектирования являются назначение и технические характеристики системы, а в качестве ограничений, в данном случае, выступают силовые элементы планера ЛА. Первым этапом построения системы ЛА является выбор трассы прокладки системы (SSys):

G ( Fus LA ) ——— G ( S Ss )

После чего производиться построение электронных моделей деталей (ElemSys) трубопроводов систем ЛА:

G ( S^Sys )П G ( Panel^F ) ——— G ( Elem Sys )

G(PF)

0(0$^^)

GlOs1”^)

G(Os^)

G(OtsekFG

GOVmg1^)

Рис. 2. Обобщенное представление дерева построения ЛА

Отдельные детали образуют отдельные подсборки

(Assembly^Sys ) систем ЛА:

G ( Elem Sy ) ——— G ( Assembly S'⁵ )

Из отдельных подсборок образуется все системы ЛА:

G ( Assembly⁵ ' ) —— G ( Sys LA )

Проектирование сборочных приспособлений. Графическое изображение процесса проектирования сборочного приспособления представлено на рис . 3.

СМГ

Рис. 3. Процесс проектирования сборочного приспособления

Проектирование рубильников ( R^SP ) и ложементов ( L^SP ) производиться от деталей и сборок, для сборки которых данное приспособление предназначено, а так же используется и СМГ:

G (SMGL4 )A G (Е1етРа,1е1р; j = 1... k) A G (OtsekF )-G (SMGL4) A G (ElemPa,KlIF; j = 1... k ) A G ( OtsekF) LSP ={ LSP, i = 1...n}

R^SP = { R^SP , i = 1... _n }

R

R

LSP
i	(18)
RSP
i	(19)
	(20)
	(21)

Из формул 18-20 видно, что прецедентом для проектирования ТО являются математические модели деталей ЛА. В состав рубильников и ложементов также входят и фиксаторы:

F = { F i , i = 1.. n }

Проектирование рамы сборочного приспособления ( Rama^SP ) ведется от положения объекта сборки, рубильников, ложементов и фиксаторов:

G (LSP ) A G ( RSP ) A G ( FSP ) AG ( OtsekF )—— Rama?

Рама, рубильники, ложементы и фиксаторы образуют математическую модель сборочного приспособления:

G ( LSP ) П G ( RSP ) AG ( FSP ) A G ( RamaS ) —— SPLA

Из выражений 18, 19 видно, что в частном случае при условиях

G ( SMG L ) —— LSPChaslt-

G ( P ^F ) A G ( Os^{Shp F} ) A G ( Os ^arF ) A G ( Os L’g ) —— L S^PChasS"

G ( SMG L ) —— Rspchosttn

G ( P F ) A G ( Os S-pF ) A G ( Os ^SrF ) A G ( Os ^Lo"^gF ) —— Rf P^¹"

тогда проектирование сборочного приспособления можно начинать параллельно проектированию ЛА. Либо, если данный частный случай не проявляет себя полностью ( L SP ^ L SPChh^tn и R SP ^ R SChstn ), т₀ в^ равно в_Озможно проектирование определенной части сборочного приспособления по исходным данным в выражениях (25) , (26) .

Онтологическая связь между СМГ, ЛА и сборочным приспособлением представлена на рис. 4.

Рис. 4. Онтологическая связь между СМГ, ЛА и ТО

Из формул (18)-(26) видно, что прецедентом для проектирования ТО являются математические модели деталей ЛА и возможно применять для создания систем накопления опыта проектных решений. В существующих информационных системах для накопления опыта проектных решений в их состав принято включать онтологию профессиональной области [8]. На настоящий момент времени наиболее распространенными редакторами онтологий являются: Ontolingua, DOE, OntoEdit, WebOnto, ODE, Magenta, Protege [1]. Одним из самых существенных недостатков существующих редакторов онтологий является отсутствие выхода на материализацию. Такое ограничение отсутствует в онтологиях, которые можно создавать в инструмен-тально-моделирующей среде WIQA [5, 7]. В основе этого инструментария лежит прецедентный подход, предполагающий отображение операционной среды проектирования на семантическую память. Механизмы отображений разработаны для декларативных и императивных составляющих процесса концептуального проектирования. Для представления концептуально-алгоритмических решений разработан специализированный псевдокодовый язык, надстроенный над семантической памятью вопросноответного типа и ориентированный на моделирование прецедентов (деятельностных единиц повторного использования).

Модель прецедента P включает: текстовую составляющую PT, в виде постановки задачи; логическую составляющую PL, формула которой представлена на рисунке 4; вопросно-ответную модель PQA задачи Z; графическое представление прецедента PG; исходный псевдокод PI и исполняемый код PE. По ходу решения определённой проектной задачи соответствующая модель прецедента формируется шаг за шагом с возвратом «назад» при необходимости коррекций. Как и процесс решения задачи, процесс формирования модели прецедента является итерационным, что образно отражено на рис. 5, где раскрывается «жизненный цикл» порождения прецедента [8].

Нормативная модель прецедента построена таким образом, чтобы она раскрывала концептуальное содержание задачи и представляла её концептуальное решение (псевдокод решения). Завершая пункт, ещё раз подчеркнем, что формирование образца модели осуществляется методом пошаговой детализации с использованием онтологической поддержки и итераций, если в этом появляется необходимость.

Рис. 5. Модель прецедента

Практическая реализация параллельного инжиниринга. Рассмотрим практическую реализацию параллельного инжиниринга при проектировании сборочных приспособлений. Для организации совместного доступа к геометрии и возможности построения электронных моделей ТО будут использоваться несколько файлов. Файл с системой координат имеет префикс в названии CS и служит для позиционирования файла построения в пространстве. Для обводообразующих деталей, а также деталей, расположение которых задается в абсолютной системе координат, координата расположения файла построения так же задается относительно абсолютной системы координат (X(0), Y(0), Z(0)). Для стандартных деталей или деталей, которые применяются в сборке многократно, система координат задается рабочей и не привязанной к абсолютной системе координат. В файл с системой координат также помещаются вспомогательные детали и сборки, строительная мастер геометрия и прочие элементы, необходимые для построения ЭМД (рис. 6, 7). Файл с построениями имеет префикс WP. В файле построений линкуется (Link) с помощью WAVE-технологий [4] вся дополнительная геометрия, необходимая для создания модели детали и производятся все дополнительные построения (рис. 8.).

Файл с системой координат

Файл с построениями (1

Link

эмд

СМГ, вспомогательная

™> геометрия, вспомогательные детали и т.д.

Рис. 6. Структура файла с системой координат

Рис. 7. Пример дерева построения

ЭМД является результирующим файлом, в который линкуется модель детали из файла построения. Все дополнительные построения не линкуются.

ЭМД должен содержать только одно твердое тело и дополнительную информацию в виде рисок, резьб и технических условий. Приведенные выше подход позволяет распараллеливать процесс проектирования сборочного приспособления и разделить его на несколько специализаций:

• •    инженер-конструктор по раме сборочного приспособления;

• •   инженер-конструктор  по  рубильникам и ло

жементам;

• •   инженер-конструктор по  фиксаторам и при

жимам;

• •    инженер-конструктор по опорам и креплению приспособления к полу;

• •    инженер-прочнист.

Рис. 8. Рабочие построения модели ложемента сборочного приспособления

Для компьютеризации рабочих мест этих специалистов авторами разработан комплекс средств информационного сопровождения действий и принимаемых решений. В основу комплекса положена общая онтология проектирования, в которой закодирована представленная выше структуризация геометрии ЛА и её отображений на производственный процесс ЛА. Онтология согласована с нормативными документами, управляющими и регистрирующими процесс производства. Использование разрабо-танных средств позволит не только сократить цикл проектирования ТО за счет параллельного выполнения операций проектирования, но и предотвратить ошибки в их согласованной реализации.

Выводы: разработан подход к представлению математических моделей ЛА в родовидовой форме и рассмотрено использование параллельного инжиниринга для повышения эффективности процесса проектирования ТО. Использование параллельного инжиниринга позволит значительно сократить цикл проектирования ТО для изготовления ЛА, а так же введение узких специализации для инженерных специалистов позволит повысить качество проектных работ за счет накопления персонального опыта и, в дальнейшем, создания онтологической поддержки процесса проектирования.