Автоматизация и верификация в системах автоматизированного проектирования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт Прикладной математики и компьютерных наук Кафедра Вычислительной техники Утверждаю: Зав. кафедрой ВТ _________________ А.Н. Ивутин «___»____________ 2017 г. Регистрационный номер: ________________________ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ учебной дисциплины (модуля) «Автоматизация и верификация в системах автоматизированного проектирования» Направление подготовки: Информатика и вычислительная техника Профиль подготовки: «Системы автоматизированного проектирования» Квалификация выпускника: бакалавр Форма обучения: заочная Тула 2017 2 Рассмотрено на заседании кафедры "Вычислительная техника" протокол №1 от "30" августа 2017 г. Зав. кафедрой ________________________ А.Н. Ивутин 3 Содержание 1. ПОНЯТИЕ О КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПРОИЗВОДСТВА .........................................................................................................................4 2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА ..............................................13 2.1. Жизненный цикл изделий ................................................................................................ 13 2.2. Информационная поддержка проектирования .............................................................. 15 3. ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ .....................................................19 3.1. Лазерная стереолитография............................................................................................. 21 3.2. Технологии послойного синтеза .....................................................................................23 3.3. Принтеры твердотельных объектов (3D принтеры) .....................................................24 4. КОНСТРУКТОРСКИЕ БАЗЫ И БАНКИ ДАННЫХ ........................................................... 25 4.1. Организация баз данных ..................................................................................................25 4.2. Пример реализации конструкторского банка данных ..................................................28 5. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ИЗДЕЛИЯ И НОРМИРОВАНИЕ ................................................34 5.1. Анализ структуры изделия .............................................................................................. 34 5.2. Материальное нормирование ..........................................................................................37 6. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ....45 6.1. Формирование ТП ............................................................................................................45 6.2. Формирование маршрута обработки ..............................................................................49 6.3. Автоматизация технологической маршрутизации ........................................................51 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ДОКУМЕНТООБОРОТА ........................... 56 7.1. Структура информационных потоков на предприятии ................................................57 7.2. Порядок прохождения документов и проведения изменений .....................................59 8. ЗАДАЧИ ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИИ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ ...........................................62 8.1. Оптимизация раскроя .......................................................................................................63 8.2. Генетические алгоритмы .................................................................................................69 9. SCADA – СИСТЕМЫ .............................................................................................................72 9.1. Основные понятия ............................................................................................................72 9.2. Компоненты систем контроля и управления и их назначение.....................................75 9.3. Обзор современных SCADA-систем ..............................................................................78 10. CALS-ТЕХНОЛОГИИ ..........................................................................................................80 10.1. Основные понятия CALS-технологий ..........................................................................80 10.2. Единое информационное пространство .......................................................................82 10.3. Управление данными об изделии .................................................................................83 10.4. Концепция PLM ..............................................................................................................86 11. СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА .........................................................................88 11.1. Принципы обеспечения качества и управления качеством .......................................90 11.2. Статистические методы анализа качества ...................................................................92 11.3. Внедрение систем управления качеством ..................................................................100 12. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ ................108 12.1. Потребители конструкторской документации .......................................................... 108 12.2. Конструкторская документация как виртуальная модель изделия ........................109 12.3. Уровни обеспечения качества конструкторской документации............................. 110 12.4. Виды контроля конструкторской документации ......................................................112 12.5. Несоответствия в КД ....................................................................................................114 12.6. Влияние 3D моделирования на качество КД ............................................................. 115 13. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................................................................117 14. ПРИЛОЖЕНИЕ Основные операции реляционной алгебры ..........................................118 4 1. ПОНЯТИЕ О КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПРОИЗВОДСТВА Производственный процесс представляет собой ряд процедур, между которыми существуют связи. Именно наличие связей свойств материалов и размерных связей обеспечивает качество изготавливаемой продукции. При этом можно выделить два вида связей: внутри технологической системы предприятия и связи "предприятие - внешняя среда" (Рис. 1). Информация о поставках Спрос Продукция предприятия Материалы и комплектующие Предприятие Реклама Потребители продукции предприятия Заявки на поставки Поставшики предприятия Рис. 1- Материальные и информационные связи в системе "Предприятие - внешняя среда". Объекты производства связаны между собой связями свойств материалов, временными, размерными, экономическими и информационными (Рис. 2). Установление связей происходит на этапе технологической подготовки производства, которая, согласно ГОСТ Р 50995.3.1-96 представляет собой "...вид производственной деятельности предприятия (группы предприятий), обеспечивающий технологическую готовность производства к изготовлению изделий, отвечающих требованиям заказчика или рынка данного класса изделий". 5 Построение производственного процесса Свойства материалов Связи временные Связи свойств материалов Связи информационные Процесссвязи Размерные Процесс Связи размерные Конструкция Технология Изготовление машины Рис. 2 – Связи в производственном процессе по акад И.М. Колесову. Поскольку разработка технологии изготовления изделия связывает между собой его конструкцию и производственный процесс, целесообразно говорить о конструкторско-технологической подготовке производства (КТПП, англ. production planning). КТПП нового изделия как проектная процедура должна решать ряд задач, направленных на обеспечение выпуска изделия установленного качества и в требуемом количестве. К ним относятся:  разработка конструкторской документации,  разработка технологических процессов,  проектирование средств технологического оснащения,  временное планирование производственного процесса. Разработка технологических процессов, в свою очередь, включает в себя выбор исходных заготовок, выбор технологических баз, поиск типового техпроцесса, задание последовательности операций и их нормирование и т.д. 6 Табл. 1- Виды информации, используемой в ходе КТПП. Проектная 1 2 3 процедура Разработка СправочКаталог Техничеконструкторской ники свойств конструкторских ские требования документации материалов; тре- проектных ре- к проектируебования ЕСКД; шений мому изделию классификаторы продукции Разработка ТребоваКаталоги Рабочие техпроцессов и про- ния ЕСТД; ката- типовых тех- чертежи деталей ектирование логи стандарт- процессов; катаоснастки ных оборудова- логи имеющихся ния и оснастки; оборудования и нормы времени оснастки МаршрутизаКаталоги Техпроция имеющегося цессы изготовоборудования ления деталей Календарное Нормы Каталоги Маршруты планирование времени имеющихся прохождения складов для хра- деталей по ценения заделов хам Маршруты прохождения деталей по цехам Документация на оснастку Каталог материалов, ЕСКД, имеющиеся проектные решения Конструктор Задание на проектирование Технологмаршрутчик Техпроцесс Технолог Рабочие чертежи деталей Технолог Технологические данные; Исполнитель проектной процедуры; Производственный документ; Условные обозначения: Каталог типовых техпроцессов, каталог оборудования и оснастки Каталог материалов, таблицы расчета припусков, каталог оборудования Подетально специфицированная ведомость материальных норм 7 Рис. 3- Основные информационные потоки в процессе КТПП. 8 Для выполнения каждой из проектных процедур исполнитель (конструктор, технолог) привлекает значительный объем информации, которую можно подразделить на три вида ( Табл. 1): 1. нормативная информация, общая для всей отрасли; 2. информация, относящаяся к конкретному предприятию; 3. информация, относящаяся к изделию, для которого выполняется КТПП. На Рис. 3 отображена схема основных информационных потоков в ходе КТПП, наличие которых необходимо для выполнения соответствующих проектных процедур конструкторами и технологами. Главным фактором получения предприятием прибыли от производства изделия является уровень производственных затрат, в структуре которых затраты на материалы составляют до 70%. Поэтому исключительно важное значение приобретает процедура материального нормирования, выполняемая всегда при проведении КТПП и от результатов выполнения которой зависит решение о целесообразности дальнейшей подготовки и самого производства изделия в имеющихся экономических условиях и о необходимости внесения изменений в принятые проектные решения. а) б) Рис. 4 – Заимствование проектных решений в автомобилестроении. а) Fiat 600; б) ЗАЗ 965 Рассмотрим общую последовательность прохождения информационных потоков при КТПП. На входе мы имеем техническое задание (ТЗ) на проектирование. ТЗ делятся на два вида: ориентированные на модификацию ранее созданного проектного решения (Рис. 4) и ориентированные на достижение заданных пользователем свойств, что предполагает создание новой конструкции. В первом случае задача значительно облегчается за счет заимствования конструкторских и технологических проектных решений из архива. 9 Конструктор создает новое изделие либо вносит изменения в модифицируемое. Затем в ряде случаев выполняется прочностной расчет методом конечных элементов. Часто в экспериментальном производстве изготавливается прототип изделия для испытаний. Готовый комплект конструкторской документации (КД) поступает в бюро материальных норм предприятия, где выполняется процедура оценки себестоимости изготовления изделия и рассчитывается потребность в материалах с учетом всех технологических отходов и потерь. В случае принятия решения о постановке изделия на производство КД передается в технологическую службу, где проводится разработка техпроцессов и их временное нормирование. По данным временного нормирования бюро маршрутизации назначает план-график движения детали по цехам. Кроме того, по заявкам технологов специальный конструкторский отдел выполняет проектирование приспособлений и оснастки, требуемых для выпуска изделия. Теперь для начала производства отдел снабжения закупает необходимые материалы и инструменты в рассчитанном количестве. В ходе производства решаются разнообразные задачи диспетчирования – оптимизация раскроя имеющихся материалов, оптимизация перемещения деталей и заготовок, обеспечение качества на этапе производства. Полученная продукция проходит испытания и отгружается потребителю. Как видно, весь процесс КТПП довольно сложен и объемен. В то жен время его нужно проводить в максимально сжатые сроки. Требование оперативности КТПП вызвано общей переориентацией промышленности на так называемое вариантное производство. При вариантном производстве каждое выпускаемое изделие изготавливается в соответствии с конкретными требованиями конкретного заказчика. Например, автомобильные фирмы Volvo и BMW отказались от конвейерной сборки и перевели производство на стапели. Современные гибкие технологические комплексы позволяют добиться высокой экономической эффективности вариантного способа. В то же время фактически на каждое выпускаемое изделие нужен новый комплект конструкторской и технологической документации, который необходимо подготовить в крайне сжатые сроки. Это вступает в противоречие с двумя характеристиками процедур КТПП: во-первых, каждая процедура требует для своего выполнения поиска требуемых данных в каталогах, справочниках и т.д.; вовторых, генерация окончательного проектного решения является итерационным процессом, когда получение неудовлетворительных по каким-либо параметрам (себестоимость, технологичность) промежуточных проектных решений приводит к внесению изменений в проектные решения, принятые на более ранних стадиях подготовки производства. Трудоемкость КТПП составляет 70% в общей трудоемкости выпуска изделия. За последние 20 лет период нахождения изделия в производстве сократился в 2..3раза, а срок подготовки производства увеличился вдвое и составляет от 0,5 до 2 лет. Это связано с постоянным усложнением изделий 10 машиностроения, повышением требований к себестоимости, экономичности, безопасности. Поэтому большую актуальность приобретает вопрос быстрого и эффективного выполнения тех процедур КТПП, которые, во-первых, выполняются в обязательном порядке, а во-вторых, вносят максимальный вклад в себестоимость изделия. Сюда следует отнести конструкторское проектирование изделия (материалоемкость детали) и процедуру материального нормирования (принятие проектного решения, определяющего технологические отходы и потери и полную норму расхода материала на деталь). От оптимальности принимаемых в ходе данных процедур проектных решений зависит себестоимость изделия и, как следствие, сама возможность его производства. Поэтому конструкторы и технологи, выполняющие КТПП, должны иметь средства оперативного и точного выполнения проектных процедур, определения текущей материалоемкости изделия и влияния на нее принимаемых ими проектных решений, а также иметь возможность оценивать проектные решения, исходя из критерия максимального повышения вероятности достижения основной цели производственного процесса - выпуска изделия в требуемом количестве в требуемые строки с установленными показателями качества. Проблемный модуль Проблемный модуль Внутреннее машинное представление Ядро Коммуникационный модуль Операционная система Внешняя память 11 Рис. 5- Модуль интегрированной системы автоматизации КТПП. Оперативное и достоверное выполнение других проектных процедур в ходе КТПП требует перехода к новой информационной технологии обработки конструкторско-технологической информации. Информационная технология - комплекс методов и процедур, реализующих функции сбора, передачи, обработки, хранения и доведения до пользователей информации. Таким образом, применительно к предметной области технологии машиностроения информационная технология имеет дело прежде всего с информационными связями производственного процесса. Важная особенность информационной технологии - прямое привлечение знаний и производственного опыта конструкторов и технологов, заключающееся в рациональной организации взаимодействия человека с автоматизированной системой. Существуют следующие цели взаимодействия человека с системой автоматизации: 1. Передача задачи для решения тому, для кого эта задача легче; 2. Решение задачи совместными усилиями; 3. Усовершенствование своих знаний и умений (обучение партнера). Общая схема построения интегрированной модульной системы автоматизации конструкторско-технологических процедур представлена на Рис. 5. САПР ТП повышает производительность труда технологов в 2,5...3 раза, сокращает время на разработку маршрутных ТП в 5..6 раз, сокращает потребность в инженерах-технологах в 3 раза. В табл. 2 приведена информация о пригодности различных видов систе автоматизации для решения основных задач КТПП. Как видно, все применяемые системы автоматизации можно разделить на три типа по их функциональному назначению: 1. Системы CAD/CAM – автоматизация конструкторского и технологического труда; 2. Системы конечноэлементного анализа (FEM) – автоматизация прочностных расчетов; 3. Специализированные программные средства. 12 Табл. 2 Решение задач конструкторско-технологической подготовки производства с помощью средств информационного и программного обеспечения Технологические Конструкторские Задачи конструкторско-технологической подготовки производства Организационные Средства 1 2 3 Конструирование (объектов производства и технологического оснащения) Художественное конструирование Внесение изменений в конструкцию Контроль движений элементов конструкции Эмуляция сборки Оформление конструкторской документации Контроль конструкторской документации Конструкторские расчеты, в том числе: расчеты размерных цепей прочностные, тепловые и т. п. Оптимизация конструкций Принятие решений Использование баз данных конструкций и их элементов Выбор заготовки Определение последовательности обработки Выбор технологических баз Расчет припусков Расчеты технологических размерных цепей Выбор режущих инструментов и определение их параметров Определение режимов обработки Оформление технологической документации Изменение технологической документации Подготовка управляющих программ для изготовления и контроля на оборудовании с ЧПУ Контроль обработки Выбор средств контроля и определение их параметров Принятие решений Использование баз данных производственной системы Нормирование технологического процесса + + — — — — — — — + + — — — — —— + + ±  —— + — —— —— —— —— —— ± — —— + — + — + — + — + + + + + + + + + + + + — + — —— —— + — —— + + + — + Организация взаимодействия специалистов Документооборот Защита информации Диспетчирование, планирование + — + —  — —— + + + + Примечание 1 — системы CAD/CAM; 2 — системы конечноэлементного анализа; 3 — специализированные программные средства; "+" — достаточно полное решение задачи данными средствами; "—"— задача данными средствами не решается; "" — задача данными средствами решается не в полной мере. + + + + +  13 2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА 2.1. Жизненный цикл изделий Каждое изделие машиностроения обладает своим жизненным циклом (ЖЦ, англ. LC, life cycle), который представлен на Рис. 6. Разработка Проектирование продукта Планирование Проектирование технологического процесса Производство Проектирование производства Использование (эксплуатация) Утилизация Рис. 6 - Жизненный цикл продукта. В настоящее время в ЖЦ включаются не только этапы, связанные с проектированием и производством, но и последующие эксплуатация и утилизация изделия. Это связано, с одной стороны, с экологическими требованиями (изделие должно обеспечивать безопасную утилизацию, а в идеале – повторное использование материалов), а с другой – с необходимостью технического обеспечения эксплуатации сложных и потенциально опасных объектов на протяжении длительного срока (срок службы магистрального пассажирского самолета или бомбардировщика – 45..50 лет), для чего применяется так называемый авторский надзор эксплуатации. Остановимся на этапе проектирования продукта (изделия). Поставщик разрабатывает техническое предложение на основании спроса потребителя. Техническое предложение – совокупность конструкторских документов, которые должны содержать технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации изделия на основании анализа технического задания заказчика и различных вариантов возможных решений изделий, сравнительной оценки решений с учетом эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих изделий и патентные исследования. Техническое предложение после согласования и утверждения в уста- 14 новленном порядке является основанием для разработки эскизного (технического) проекта. Эскизный проект– совокупность конструкторских документов, которые должны содержать принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об их устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющие назначение, основные параметры и габаритные размеры разрабатываемого изделия. Эскизный проект после согласования и утверждения является основанием для разработки технического проекта или рабочей КД. Технический проект – совокупность конструкторских документов, которые должны содержать окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия, и исходные данные для разработки рабочей КД. потребитель спрос предложения об изменении конструкции 1 поставщик техническое предложение эскизный проект Подбор материалов Разработка ТП Рассмотрение и утверждение ТП Разработка ЭП Изготовление и испытание макетов (при необходимости) Рассмотрение и утверждение ЭП технический проект принятие решения о производстве Разработка ТП Изготовление и испытание макетов (при необходимости) Рассмотрение и утверждение ТП Да протокол несоотв-й изменения 2 КОНТРОЛЬ рабочая КД конструкторский технологический метрологический нормативный изготовление прототипа разработка технологии эксплуатация производство Рис. 7 –Жизненный цикл КД. Разработка технического предложения, эскизного и технического проектов принимаем за первый этап жизненного цикла КД. После него принимается решение о дальнейшем производстве и при утвердительном ответе разрабатывается рабочая КД. Она должна пройти ряд итерационных процедур 15 контроля: технический, технологический, метрологический и нормативный контроль. Создание рабочей КД, ее контроль и доработка является вторым этапом жизненного цикла документации. Весь жизненный цикл КД представлен на Рис. 7. 2.2. Информационная поддержка проектирования Вопрос автоматизации конструкторского труда – один из важнейших в КТПП. Работы в этом направлении стали проводиться с 590х гг. 20-го века. Аббревиатуру САПР (система автоматизированного проектирования, англ CAD, Computer-Aided Design) впервые использовал основоположник этого научного направления Айвен Сазерленд (Рис. 8) в начале 60-х годов. Рис. 8 – Проф. Айвен Сазерленд На Рис. 9 представлена структура САПР. Как правило, САПР выполняет две принципиальные функции: - синтез технических систем: создание компьютерной геометрической модели создаваемого объекта; - анализ технических систем: проверка компьютерной модели на соответствие требованиям, предъявляемым к проектируемому изделию. Задача анализа отличается тем, что анализируется виртуальная модель, которая при этом должна вести себя аналогично реальному объекту. Например, при прочностных расчетах в САПР конструктор указывает свойства материала и характер и величины прилагаемых нагрузок, а САПР при помощи метода конечных элементов устанавливает, что произойдет с реальным объектом при подобном нагружении. Следовательно, экономятся значительные ресурсы, необходимые для изготовления и испытаний прототипа. Наиболее известным примером полного компьютерного анализа сложной технической системы является авиалайнер Boeing 777, который в начале 90-х гг. ХХ века был полностью смоделирован в САПР и запущен в серийное производство без изготовления прототипа, что является беспрецедентным случаем в истории авиастроения. 16 Документы о составе, правилах отбора и эксплуатации средств автоматизированного проектирования Постановка задачи и схема решения Операционная система Методы Математические модели 1. Методы обеспечения Базовое Алгоритмы 2. Математическое обеспечение 7. Техническое обеспечение Инструкции, приказы штатное расписание и др. Средства программной обработки данных (процессор, запоминающие устройства) Средства подготовки, ввода, отображения и документирования данных (клавиатура, дисплей, принтер) Архив проектных решений Средства передачи данных между территориально разнесенными ЭВМ 5. Лингвистическое обеспечение Языки проектирования Общесистемное Прикладное 3. Программное обеспечение 4. Информационное обеспечение САПР 6. Организационное обеспечение Программное обеспечение Банк данных Языки программирования Входные языки Экспертная система Промежуточные и внутренние языки Выходные языки Языки сопровождения Языки управления Рис. 9 – Структура САПР. Режим коллективного проектирования СУБД База данных База знаний База Фактов 17 В современной интегрированной САПР объединены четыре системы разного назначения, разработанные на единой базе: CAD (Computer-Aided Design) - компьютерная поддержка конструирования; САЕ (Computer-Aided Engineering) - компьютерная поддержка инженерного анализа; САМ (Computer-Aided Manufacturing) - компьютерная поддержка изготовления; PDM (Product Data Management) - системы управления проектными данными. Они используются на всех этапах проектирования, позволяя осуществлять режим коллективного проектирования и автоматизировать функции управления, связанные с этим режимом: назначение и обеспечение квалитета ответственности, прав доступа, ведение базы данных проекта и т.д. Рассмотрим применяемость различных компонент САПР на разных этапах КТПП. Этап конструирования (применяются системы типа CAD и САЕ) предполагает объемное и плоское геометрическое моделирование, инженерный анализ на расчётных моделях высокого уровня, оценку проектных решений, получение чертежей. Системы, используемые для анализа и оценки функциональных свойств проектируемых объектов, охватывают широкий круг задач моделирования упруго-напряженного, деформированного, теплового состояния, колебаний конструкции, стационарного и нестационарного газодинамического и теплового моделирования. Наиболее распространены САЕ-системы, использующие решение систем дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных элементов (МКЭ). Они делятся на универсальные системы анализа с использованием МКЭ и специализированные. Наиболее известны такие универсальные системы, как Nastran, Ansys и другие, позволяющие выполнять различные виды анализа на распределенном уровне. Специализированные системы МКЭ ориентированы на конкретные виды анализа. Примерами таких систем могут служить пакеты Flotran, Fluid, предназначенные для моделирования гидрогазодинамических процессов, OPTRIS - для моделирования деформаций. Этап технологической подготовки производства, также называемый САРР (Computer-Aided Process Planning) предполагает разработку технологических процессов, технологической оснастки, управляющих программ (УП) для оборудования с ЧПУ. Сюда входит задача разработка технологической документации, доводимой до рабочих мест и регламентирующей процесс изготовления детали. Описание обработки на оборудовании с ЧПУ в виде управляющих программ генерируется при помощи систем автоматизированного управления производственным оборудованием, известных как САМ (computer-aided manufacturing). В зависимости от функциональных возможностей, набора модулей и структурной организации CAD/CAE/CAM системы можно условно разделить на "легкие" и "тяжелые" ( 18 Рис. 10). "Легкие" САПР ● ● ● ● ● ● ● "Тяжелые" САПР ● ● ● ● Автономное черчение 2D моделирование 3D твердотельное моделирование Параметрические построения Объемное проектирование средних сборок Ассоциативное черчение Работа в малых и средних группах Построения сложных поверхностей 3D проектирование сложных сборок Разработка технологических процессов и оснастки Параллельное выполнение крупных разработок Рис. 10 – Классы САПР. "Легкие" САПР. Это первый в сложившемся историческом развитии класс САПР. Они, как правило, используются на персональных компьютерах отдельными пользователями и обеспечивают трехмерное моделирование сборок средней сложности (примерно до 500 деталей). Такие системы достигли в последнее время высокого уровня совершенства. Они просты в использовании, содержат множество библиотек стандартных элементов, поддерживают различные стандарты оформления графической документации, позволяют проектировать большинство деталей общего машиностроения, сборочные единицы среднего уровня сложности, выполнять совместную работу группам конструкторов. В таких системах возможно производить анализ пересечений и зазоров в сборках Такие САПР, как Компас, SolidEdge, SolidWorks, Inventor позволяют решать до 80% типичных машиностроительных задач, не привлекая мощные и дорогие CAD/CAM системы тяжёлого класса. "Тяжёлые" САПР. Такие системы предоставляют полный набор интегрированных средств проектирования, производства, анализа изделий. В эту категорию систем попадают CATIA, Unigraphics, Pro/ENGINEER, EUCLID, Cimatron. Они используют мощные аппаратные средства: как правило, это графические рабочие станции с операционной системой UNIX. Системы тяжёлого класса позволяют решать широкий спектр конструкторско-технологических задач. Кроме функций, доступных системам среднего класса, тяжёлым CAD/CAM системы доступно: - проектирование деталей самого сложного типа, содержащих очень сложные поверхности; - выполнение построения поверхностей по результатам обмера реальной детали (восстановление модели по так называемому облаку точек), выполнения сглаживания поверхностей и сложных сопряжении; - проектирование массивных сборок, состоящих из тысяч элементов и требующих тщательной компоновки и содержащих элементы инфраструктуры (кабельные жгуты, трубопроводы); 19 CAD/CAE/CAM системы и системы класса PDM позволяют организовать параллельное проектирование - коллективный режим работы над проектом, когда одновременно большое количество специалистов работает над различными частями и стадиями проекта изделия как в рамках одной организации, так и в рамках виртуальной корпорации (с распределёнными смежниками). Все это дает новое качество - проектирование и изготовление превращается в виртуальную технологию изготовления компьютерного макета изделия. 3. ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ После разработки комплекта конструкторской документации на изделие возникает задача проверки соответствия проекта техническому заданию и возможностям производства. Для этого, как правило, необходимо изготовление прототипа, на котором оцениваются функциональные возможности конструкции, пути ее улучшения, проверяются трудноформализуемые дизайнерские проектные решения, которые трудно оценить на основании одной лишь компьютерной модели. Например, хорошо известно, при проектировании автомобиля уменьшенная модель в ряде случаев дает искаженное представление о визуальном восприятии формы кузова, поэтому изготовление прототипа в масштабе 1:1 – обязательный этап подготовки производства автомобилей. Появившиеся в последнее время так называемые технологии быстрого прототипирования (англ. RP - rapid prototyping, Рис. 11) позволяют с минимальными затратами ресурсов превратить 3D модель объекта в реальную деталь из пластика, по которой можно изготовить штамп или пресс-форму. Быстрое прототипирование Технологическая подготовка производства Документация модель Инженерные расчеты Рабочие чертежи Рис. 11 – Место быстрого прототипирования в подготовке производства. Прототип – это первый опытный и почти всегда единичный (и в этом смысле уникальный) экземпляр, задача которого быстро и достоверно ответить на принципиально важные для конструктора вопросы: соответствует ли реальный дизайн детали (изделия) задуманному; верно ли определены взаи- 20 мосвязи с окружающими деталями; выполняет ли деталь те функции, которые возложил на нее конструктор, и, если выполняет, то как, а если нет, то почему; соответствует ли конструкция детали технологическим возможностям серийного производства и т.д. Общеизвестно, что опытные образцы так называемых второй или третьей серий и, тем более, промышленные образцы, настолько отличаются от прототипа, что использование технологической оснастки, созданной для изготовления прототипа, практически невозможно для изготовления последующих вариантов детали. Именно поэтому стоимость прототипов оказывается весьма значительной, поскольку в ней заложена стоимость "потерянной" технологической оснастки. Кроме прямых материальных затрат на создание оснастки, существуют еще и временные затраты, трудно определяемые в денежном выражении, но зачастую превосходящие прямые затраты. Достаточно сказать, что для изготовления традиционными методами опытных образцов таких деталей как, блок цилиндров или головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания, требуется 8..10 месяцев (литье + мехобработка), а с использованием технологий быстрого прототипирования этот срок сокращается до 1..1,5 месяцев. Все существующие системы быстрого прототипирования работают по послойному принципу построения физической модели, который заключается в следующем: - считывание трехмерной геометрии из 3D CAD-систем в формате STL (обычно это твердотельные модели, или модели с замкнутыми поверхностными контурами). Все CAD-системы твёрдотельного моделирования могут генерировать файлы формата STL; - разбиение трехмерной модели на поперечные сечения (слои); - изготовление сечений детали слой за слоем снизу вверх, до тех пор, пока не будет получен физический прототип модели (Рис. 12). Слои располагаются снизу вверх, один над другим, физически связываются между собой. Построение прототипа продолжается до тех пор, пока поступают данные о сечениях CAD-модели. Рис. 12 – Технология послойного синтеза: а) 3D модель; б) образование сечений; в) одно сечение Собственно изготовление сечений основано на: 21 лазерном раскрое листовых материалов и их последующей склейке (послойный синтез); спекании и наплавке порошков металлов, керамики и полимеров лазерным излучением или электронным пучком; полимеризации, инициированной лазерным излучением или излучением ртутных ламп. - 3.1. Лазерная стереолитография Технология лазерной полимеризации наиболее широко используется в разрабатываемых и серийно выпускаемых в настоящее время установках и получила название "лазерной стереолитографии (Laser Stereolithograрhy). Суть ее состоит в послойном изготовлении трехмерных объектов из отверждаемой лазерным излучением жидких полимерных композиций (фактически это очень текучая эпоксидная смола). С помощью этой технологии спроектированный на компьютере трехмерный объект выращивается из жидкой фотополимеризующейся композиции (ФПК) последовательными тонкими (0.1-0.2 мм) слоями, формируемыми под действием лазерного излучения на подвижной платформе, погружаемой в ванну с ФПК (Рис. 13). Лазерная стереолитография позволяет в кратчайшие сроки (от нескольких часов до нескольких дней) пройти путь от конструкторской или дизайнерской идеи до готовой модели вашей детали. Рис. 13 – Деталь, полученная методом стереолитографии (макет модуля "Квант" орбитальной станции "Мир") Максимальные размеры изготавливаемых объектов обычно не могут превышать 800..1000мм. Выращивая детали по частям, можно создать модели и больших размеров. Точность изготовления составляет 0.1 мм. Шероховатость получаемой поверхности без какой-либо обработки не превышает 100 мкм. Отвержденная ФПК легко полируется. Прочность готовых деталей сравнима с прочностью изделий из отвержденных эпоксидных смол. Готовые модели выдерживают нагрев до 100oС без изменений формы и размеров. 22 Объекты, созданные методом лазерной стереолитографии, могут быть использованы: как конструкторские и дизайнерские прототипы при создании макетов изделий и сборок; в качестве формообразующей оснастки при различных видах точного литья; для изготовления формообразующей оснастки из других материалов по созданным моделям; как мастер-модели при изготовлении электродов для электроэрозионной обработки; для исследовательских работ; при восстановлении объектов по данным рентгеновской, акустической или ЯМР-томографии для медицины, криминалистики, археологии и др. Замысел конструктора Эскизный проект Компьютерная 3D модель Модель для продувки, полученная методом стереолитографии Рис. 14 – Применение стереолитографии при проектировании самолета С-37 "Беркут". Последнее применение стереолитографии является одним из наиболее востребованных. Например, в медицине таким образом изготавливаются индивидуальные протезы, а в археологии очень хрупкие древние находки сканируются 3D-сканером и на основе полученной 3D модели создается точная 23 копия из ФПК. Поскольку 3D сканер действует бесконтактно либо с совершенно незначительным усилием, прилагаемым к объекту, нет риска повреждения ценных экспонатов. К недостаткам стереолитографии следует отнести низкую производительность метода (время создания одной детали может составлять десятки часов), относительно высокую стоимость оборудования и полимера, высокая трудоемкость работы с жидким полимером. На Рис. 14 показан один из примеров применения стереолитографии в ОКБ им. Сухого при проектировании нового российского истребителя с обратной стреловидностью крыльев С-37 "Беркут". На основе замысла конструктора был создан эскизный проект, задавший общую аэродинамическую компоновку машины. Затем на основе проекта была построена 3D модель самолета. С 3D модели методом стереолитографии была изготовлена масштабная пластиковая модель, без какой-либо доработки пригодная для продувок в аэродинамической трубе. Традиционная методика в таких случаях предполагает длительное, трудоемкое и неточное изготовление деревянного макета. 3.2. Технологии послойного синтеза Послойный синтез – более дешевый способ быстрого прототипирования, известный также как LOM-процесс (Laminated Object Manufacturing). Cуть процесса заключается в изготовлении прототипа из листового материала с адгезионным покрытием. Существует два типа процесса: LOM1 и LOM2. При LOM1 листовой материал разрезается с помощью газового лазера на СО2 мощностью 25..50Вт, а при процессе LOM2 - с помощью механического резака. Вырезаемые сечения накладываются друг на друга и спекаются. Преимущества процесса - в наличии широкого спектра относительно недорогих исходных материалов. Один из наиболее популярных материалов – ламинированная бумага. Прототипы, изготавливаемые по LOM-процессу, могут иметь большие линейные размеры. Велика и скорость изготовления изделия: в 5..10 раз быстрее, чем по другим технологиям. Размерная точность составляет около ±125 мкм. К недостаткам LOM-процесса относится ступенчатость получаемых поверхностей, что требует дополнительной обработки изделия (Рис. 15). Кроме того, существуют проблемы с удалением материала из внутренних полостей. Процесс дает большое количество отходов при изготовлении объектов-прототипов. 24 Рис. 15 – Прототипы, полученные при помощи LOM-процесса. 3.3. Принтеры твердотельных объектов (3D принтеры) В своём большинстве системы быстрого прототипирования являются громоздкими и дорогостоящими установками. Небольшие компании не могут их приобрести. В то же время для многих специалистов, которые занимаются концептуальным проектированием и которым необходимо только взглянуть на деталь и затем продолжить разработку, очень важен фактор быстрого, недорогого и простого получения прототипов проектируемых изделий. Рис. 16 – Устройство 3D принтера. 25 Для получения прототипов только для визуальной оценки производятся так называемые 3D принтеры (Рис. 16) - системы, которые строят физические модели напылением материала из одной или нескольких струйных головок, подобно обычному струйному принтеру. 3D принтеры изготавливают физические модели (Рис. 17), используя воскообразные материалы и порошки, затвердевающие при помощи связывающего вещества на водной основе. Обычно 3D принтеры не дают высокой точности и прочности готового прототипа, однако механических свойств таких прототипов достаточно для визуализации разрабатываемого изделия. Стоимость прототипов, изготовленных на 3D принтерах, составляет от 15 до 35 долларов. 3D принтеры более доступны, так как для их размещения не требуется специальных приспособлений и помещений, они могут размещаться непосредственно в офисе, у рабочего места конструктора. Кроме этого, 3D принтеры не используют вредные для здоровья материалы или процессы. Рис. 17 – Объекты, полученные при помощи 3D принтера. 4. КОНСТРУКТОРСКИЕ БАЗЫ И БАНКИ ДАННЫХ После того, как при помощи САПР получен комплект КД на изделие, сразу возникает вопрос ведения архива конструкторских проектных решений, их поиска и заимствования. Конструкторский банк данных – неотъемлемая часть интегрированной системы автоматизации КТПП. Поэтому следует рассмотреть вопросы проектирования конструкторских баз и банков данных. 4.1. Организация баз данных В любой базе данных существуют три уровня - физический, логический и оконечного пользователя. Можно также выделить два варианта доступа к физическим и логическим ресурсам системы — локальный и телекоммуникационный ( Рис. 18). 26 Рис. 18 – Три уровня в базе данных. Поддержание компактности, организации, структуры, актуальности и надежности данных входит в функции всех, кто работает с базой данных. Существуют различные стратегии поддержания такого состояния системы. Как известно, в интерактивных САПР хранящиеся в базе данных объекты используются в качестве опытного образца разрабатываемого изделия. В силу этого: 1) доступ к таким объектам должен обеспечивать малое время реакции системы на запрос пользователя; 2) информационная модель должна развиваться и совершенствоваться в соответствии с нуждами всех. работающих с СУБД пользователей: конструкторов, технологов, снабженцев и др. Все информационные объекты строятся на основе общей базы данных и служат источником информации, выбранной в соответствии с профессиональными интересами того или иного пользователя и преобразованной в форму, пригодную для решения его задач. Возможность работы с такими ин- 27 формационными объектами — основное требование к организации конструкторской базы данных. Способы хранения данных, организация доступа к ним, алгоритмы изменения структур файлов и прочие технические подробности не должны отвлекать внимание пользователя. Более того, он может даже не подозревать об их существовании. Независимость данных упрощает их разделение. Она позволяет представать одни и те же данные разным пользователям таким образом, что каждому из них будет казаться, что он работает с данными, организованными согласно его специфическим требованиям. При этом все необходимые преобразования данных выполняются средствами СУБД. Основное требование к конструкторским базам данных состоит в том, чтобы пользователи и программисты могли разрабатывать прикладные программы, не зависящие от хранящихся в базе данных сведений: их номенклатуры, их синтаксиса или формата, их семантики, способа доступа к ним. Однако все перечисленные характеристики данных должны быть "известны" прикладной программе. Это возможно тогда, когда элемент данных может быть найден по имени, а его атрибуты имеются в словаре данных. Такие элементы данных называются самоопределяющимися. В словаре данных хранятся сведения обо всех находящихся в базе элементах данных. Описания элементов включают в себя их имена, типы данных, длины и семантику. Помимо прочего, такие описания нужны для административных целей. Пря проектировании архитектуры конструкторской базы данных приходится решать много сложных задач. К ним, в частности, относятся: определение требований к организации данных; определение и регулярная ревизия требований к обработке данных; разработка архитектуры системы на основе интеграции требований первых двух типов. Требования к организации данных — объект особого внимания. При их определении следует учесть не только существующие в момент проектирования условия, но и их возможное изменение в связи с изменением условий обработки данных. При разработке проекта конструкторской базы данных не следует забывать об основных правилах, справедливых при проектировании любой системы. Главное из них — система должна быть простой. С ростом сложности системы растут затраты на ее разработку и обслуживание. Эти затраты могут свести на нет все преимущества, которые дает эксплуатация системы. Чтобы проектируемая конструкторская база данных не стала громоздкой, разработчик должен придерживаться определенной последовательности действий. Практика показывает, что для успешного завершения любого проекта в коммерческой сфере необходимо следующее. 1. Определить основную цель проекта, достижение которой обеспечит компенсацию затрат и прибыль, достаточную для дальнейшего развития. Применительно к проектированию конструкторской базы данных основную цель можно сформулировать следующим образом: создать недорогой про- 28 дукт, отвечающий требованиям рынка и достаточно гибкий для того, чтобы приспосабливаться к изменению этих требований. 2. Выделить группу факторов, играющих определяющую роль в успехе проекта. В области сбыта таким фактором может быть, например, связь с потенциальными покупателями, побуждающая их приобретать именно ваш товар. В области разработок и исследований эти факторы определяют, насколько система автоматизации увеличивает возможности пользователя поставлять на рынок новые конкурентоспособные товары повышенного качества. 3. Определить метод численной оценки достигнутых результатов, позволяющий вносить необходимые поправки. Для этой цели в системах управления используются системы обеспечения принятия решений. Эффективность использования таких систем многократно увеличивается, если они имеют доступ к правильно организованной базе данных. Разработчик конструкторской базы данных должен использовать в своей работе не только системы обеспечения принятия решений, но, по возможности, экспертные системы и другие методы искусственного интеллекта. Это даст ему возможность анализировать факты, оценивать альтернативы, быстро находить и документировать правильные решения. Экспертные системы позволяют не только получить ответ на вопрос "А что будет, если...?", но и объяснение типа "Потому, что...", и даже рекомендации типа "В этом случае следует поступать так:...". В любой коммерческой деятельности, как финансовой, так и промышленной, можно выделить критические факторы — небольшое число аспектов этой деятельности, определяющие ее успех. Если оценки критических факторов удовлетворительны, конкурентоспособность и успех коммерческой деятельности гарантированы. Каждому из критических факторов соответствуют определенные задачи, и решению этих задач должно уделяться самое пристальное внимание. В сфере инженерной деятельности использование баз данных должно в первую очередь способствовать именно решению таких задач. Главная цель внедрения конструкторской базы данных — улучшение конечной продукции и повышение эффективности конструирования. При этом недопустимо усложнение рабочих операций до такой степени, когда по каждому пустяку приходится консультироваться со специалистами по информатике. 4.2. Пример реализации конструкторского банка данных Рассмотрим теперь вопросы практической реализации конструкторского банка данных (Рис. 19). 29 Техническое задание Обзор и заимствование проектных решений Разработка КД, классификация и занесение в архив Размножение и выдача КД Банк конструкторских документов Рис. 19 - Схема работы с банком конструкторских документов. Банк конструкторских документов должен представлять собой систему, содержащую конструкторскую документацию, информацию о составе изделия и средства обеспечения доступа к файлам документов. ГОСТ 2.101-68 устанавливает классификацию изделий по видам (Рис. 20). Такой же классификации следует придерживаться и в конструкторском банке данных. ГОСТ 2.201-80 устанавливает единую классификационную систему обозначения изделий основного и вспомогательного производства и их конструкторских документов для всех отраслей промышленности при разработке, изготовлении, эксплуатации и ремонте изделий. В соответствии с этим стандартом каждому изделию должно быть присвоено обозначение, которое является одновременно обозначением и его основного конструкторского документа (чертежа детали, спецификации). Изделия Детали Сборочные единицы Комплексы Комплекты Комплексы Сборочные единицы Сборочные единицы Сборочные единицы Детали Детали Детали Комплекты Комплекты Комплекты Рис. 20 - Виды изделий Конструкторская документация - это графическая и текстовая информация. Она хранится в файлах различных форматов, поддерживаемых графическими и текстовыми редакторами. Доступ к этим файлам осуществляется 30 через банк данных, содержащий иерархически упорядоченный (в соответствии с ГОСТ 2.101-68) перечень документации на изделие. Наиболее эффективно рассмотреть банк данных в терминах объектноориентированного подхода. Информация о составе изделия хранится в спецификациях по ГОСТ 2.108-68, следовательно, основным объектом конструкторской базы данных будет СПЕЦИФИКАЦИЯ (Рис. 21). Атрибуты А1.2 "Код группы-родителя" и А1.3 "Код группы-потомков" обеспечивают построение иерархической структуры каталога. Пунктам спецификации сопоставлен документ. Связь с объектом ДОКУМЕНТ осуществляется через атрибут А1.14 "Номер документа". Наименования разделов хранятся в отдельно - объект РАЗДЕЛЫ А2. Для организации журнала работы и разграничения доступа, введен объект ПОЛЬЗОВАТЕЛИ А3, содержащий информацию о пользователях системы. Справочник материалов представлен в виде отдельного объекта МАТЕРИАЛ А5. А2 РАЗДЕЛЫ А2.1 Ключевое поле А2.2 Наименование раздела А3 ПОЛЬЗОВАТЕЛИ А3.1 Ключевое поле А3.2 Фамилия А3.3 Имя А3.4 Отчество А3.5 Статус А3.6 Пароль R5 R2 R3 А1 СПЕЦИФИКАЦИЯ А1.1 Ключевое поле А1.2 Код группы-родителя А1.3 Код группы-потомков А1.4 Код раздела спецификации А1.5 Формат А1.6 Зона А1.7 Позиция R1 А1.8 Обозначение А1.9 Наименование А1.10 Количество А1.11 Примечание А1.12 Время создания R4 А1.13 Имя пользователя А1.14 Номер документа А4 ДОКУМЕНТ А4.1 Номер документа А4.2 Имя файла докумета А4.3 Имя пользователя А4.4 Разработал А4.5 Рроверил А4.6 Т.контр А4.7 Н.контр А4.8 Утв. А4.9 Масса А4.10 Материал А4.11 Технические требования А5 МАТЕРИАЛ А5.1 Ключевое поле А5.2 Наименование материала Рис. 21 - Информационная модель банка конструкторских документов Для разработки каталога используется активная реляционная БД. Операции работы с ней могут быть формализованы при помощи аппарата реляционной алгебры (см. приложение). Реляционная модель базы данных R может быть представлена в виде следующих отношений:  R1( A1.1 , A1.2 ,..., A1.14 )  СПЕЦИФИКАЦИЯ   R2 ( A2.1 , A2.2 )  РАЗДЕЛЫ  R   R3 ( A3.1 , A3.2 ,..., A3.6 )  ПОЛЬЗОВАТЕЛИ ,   R4 ( A4.1 , A4.2 ,..., A4.11 )  ДОКУМЕНТ  R ( A , A )  МАТЕРИАЛ  51 5.1 5.2 (1) 31 Для обеспечения информационной целостности данных на них наложены следующие ограничения: 1. Атрибут A1.4 "Код раздела спецификации" отношения R1 может принимать только значения, содержащиеся в проекции атрибута A2.1 "Ключевое поле" отношения R2 или, множество значений атрибута A1.4 "Код раздела спецификации" отношения R1 содержится или совпадает с проекцией атрибута A2.1 "Ключевое поле" отношения R2 . dom(A     ( R2 ;1) . (2) A1.14 "Номер документа" может принимать только значения атрибутов A4.1 "Номер документа" отношения R4 ДОКУМЕНТ: dom(A 1    ( R4 ;1) . (3) Атрибут A1.13 "Имя пользователя" может принимать только значения атрибутов A3.1 "Ключевое поле" отношения R3 ПОЛЬЗОВАТЕЛИ: dom(A113    ( R3 ;1) . (4) Атрибут A4.10 "Материал" отношения R4 может принимать только значения, содержащиеся в проекции атрибута A5.1 "Ключевое поле" отношения R5 МАТЕРИАЛ: dom(A 410    ( R5 ;1) . (5) Данные ограничения поддерживаются активной БД. Любое действие, направленное на их нарушение, будет отменено. Для получения информации об изделиях первой группы необходимо произвести выборку (6)  r1 ; A1.2  0 , где А1.2 - "Код группы-родителя". Для определения следующего уровня по отношению к текущему или вхождения в сборку необходимо над отношением r1 провести выборку по условию: (7)  r1 ; A1.2  N  , где N - значение атрибута A1.3 "Код группы-потомков" текущего уровня. 32 Упорядочивание производится по атрибутам: "Код группы-родителя" А1.2, "Код раздела спецификации" А1.4 и "Позиция" А1.7, что соответствует стандартным требованиям. У одной группы может быть несколько родителей (Рис. 22). Это позволяет при заимствовании сборочного чертежа не набирать заново всю сборку, а лишь указать обозначение сборочного чертежа. Рассмотрим операции над БД, производимые при выполнении конструктором ряда повседневных задач. При заполнении спецификации конструктор заносит в банк документов формат документа, наименование, позицию и количество деталей в сборке. Далее, банк данных выполняет ряд операций, ранее проводимые конструктором: 1. Проверяет отсутствие в данном разделе детали с таким же обозначением: 2. Выясняет, свободна ли данная позиция. Если условие не выполняется, то необходимо раздвинуть позиции: 3. Проверяет, есть ли в БД данная деталь или сборка с таким обозначением. Если деталь или сборка найдена (|T|>0), то нужно запомнить значения соответствующих атрибутов. 4. Собственно добавляет позицию в спецификацию. 33 А1.2=0 Сборочные единицы А1.1 1 Детали, стандартные изделия А1.1 3 А1.3=1 А1.2=1 10 А1.3=3 12 6 4 9 15 А1.2=3 Спецификация А1.3=6 А1.3=4 90 А1.2=4 19 А1.2=6 50 7 14 59 10 16 91 А1.3=6 11 А1.3=50 А1.2=50 73 70 А1.3=70 15 16 А1.2=70 Рис. 22 - Дерево каталога конструкторских документов. Аналогичные проверки проводятся и при редактировании пункта спецификации. Рассмотрим вопрос эффективности внедрения описываемого электронного банка. При ведении бумажного архива конструкторской документации затраты на его ведение и поиск информации с увеличением количества чертежей будут постоянно возрастать (Рис. 23,а). При внедрении же электронного архива затраты возрастают на этапе его приобретения, внедрения и занесения документов в архив, после чего они резко падают и остаются практически постоянными (Рис. 23, б). 34 C C t a) t б) Рис. 23 - Затраты труда на ведение архива: а) при ручном ведении архива; б) при внедрении электронного архива Внедрение такого архива приводит к повышению производительности труда конструкторов на 35..40%. 5. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ИЗДЕЛИЯ И НОРМИРОВАНИЕ 5.1. Анализ структуры изделия При выполнении проектной процедуры материального нормирования для нахождения норм расхода материалов на изделие необходимо знать количественную применяемость каждой детали и сборочной единицы (ДСЕ), т.е. сколько раз данная ДСЕ встречается в изделии. Сложные изделия машиностроения обычно подразделяются на сборочные единицы: узлы, сборки, подсборки и т.д. В процессе конструкторского проектирования при введении новой ДСЕ в изделие в каталог записываются ее конструкторское обозначение и входимость - обозначение того узла (узлов), в которые эта ДСЕ входит. При этом одна и та же ДСЕ может входить как непосредственно в само изделие, так и косвенно - через сборочные единицы различных уровней. Например, на Рис. 24 показана укрупненная структурно-иерархическая схема изделия МА11015-400 “Задвижка стальная” (ОАО “Тяжпромарматура”). 35 Изделие МА11015-400 Задвижка стальная ДСЕ первого уровня МА11021-600П Редуктор конический 1 шт. МА11015-440А Корпус 1 шт. МА11243-300 Проволока 2,0-О-С ГОСТ 3282-74 5 шт. МА11057-300Л Крышка 1 шт. ДСЕ второго уровня МА11243-300 Проволока 2,0-О-С ГОСТ 3282-74 7 шт. . . . . . . Рис. 24 - Структурно-иерархическая схема изделия “Заглушка стальная”. Как видно из рисунка, одна и та же деталь “Проволока 2,0-О-С” с обозначением МА1123-300 входит как непосредственно в изделие, являясь ДСЕ первого уровня, так и в сборочную единицу МА11015-400А “Корпус”, одновременно являясь ДСЕ второго уровня. Поэтому общая применяемость этой детали в изделии 5+7=13шт. Структуру изделия логично представить в виде графа, вершины которого соответствуют деталям и сборочным единицам с указанием уровня их вхождения в изделие, а ребра - количествам вхождений ДСЕ следующего уровня в ДСЕ предыдущего ( Рис. 25). Отдельные ДСЕ на графе обозначены буквами A, B...H. A 5 1 3 1 B C 1 D 1 6 2 8 1 1 H 2 G 2 1 F 2 E 2 Рис. 25 - Граф структуры изделия. 36 Расчет применяемости выполняется для каждой детали последнего уровня (в рассматриваемом случае - второго) и сводится к определению всех возможных путей от вершины, соответствующей рассматриваемой детали, до вершины графа (изделия) с суммированием применяемостей по мере прохода по ветвям. В Табл. 3 показаны результаты расчета применяемости для изделия, структура которого соответствует графу на Рис. 24. Для обхода графа изделия и расчета полной применяемости использовать алгоритм Дейкстры, но его нерекурсивная реализация представляет собой нетривиальную алгоритмическую задачу, а при рекурсивной реализации число уровней входимости оказывается резко ограниченным. Табл. 3 - Расчет количественной применяемости. Обозначение детали Возможные пути Применяемость, шт. E 5+ E0 32=11 ED0 F FD0 31=3 G GC0 81+ GB0 61=14 H HB0 11=1 Нерекурсивная реализация алгоритма обхода дерева обычно основана на использовании так называемого прошитого бинарного дерева. Прошитое дерево отличается тем, что концы его ветвей замкнуты на вершину ( Рис. 26). A 5 1 3 1 B C 1 1 6 D 2 8 1 1 H 2 G 2 1 F 2 Рис. 26 – Прошитое дерево. E 2 37 Обход осуществляется по правилу: "начав с самого отдаленного узла, искать последующие элементы в обратном порядке, пока они не закончатся". 38 5.2. Материальное нормирование Одна из основополагающих процедур КТПП, выполняемая всегда - материальное нормирование, т.е. определение подетальных норм расхода материалов а, следовательно, и себестоимости изделия. Данная процедура, в ходе которой принимаются важнейшие проектные решения о выборе размеров исходного материала, оборудования, вида заготовки выполняется на предприятиях силами отдельной службы (бюро материальных норм), в которой инженеры-технологи выполняют материальное нормирование. Точный расчет материальной нормы с определением всех технологических потерь - весьма трудоемкая задача, требующая привлечения большого количества нормативной документации. До появления современных средств автоматизации инженерного труда существовало мнение, что это "..настолько трудоемкая работа, что качественное ее выполнение...практически невозможно в сколько-нибудь разумные сроки" [11]. Существует несколько различных подходов к выполнению материального нормирования. При "экономическом" подходе, материальная норма рассматривается только с точки зрения материалоемкости изделия без учета того, что с каждой нормой неразрывно связано приводящее к ней проектное решение. Поэтому предлагаются нормативные методы материального нормирования, основанные на сборе статистических данных и выводе уравнений регрессии или коэффициентов. Например, норма рассматривается как функция трех аргументов (действующих факторов): N  f ( x1 ,x2 ,x3 ) ( 8) где x1 - технические характеристики исходного материала; х2 - технические характеристики изделия; х3 - показатели работы технологического оборудования. Основываясь на статических данных, автор выводит зависимости расхода металла от основных технических характеристик изделия. Например, для расчета расхода меди на электрогенератор выводится ее зависимость от мощности генератора: y  a0  x  a1 ( 9) где a0, a1 - эмпирические параметры. Для расчета материалоемкости такой сложной машины, как экскаватор, получено уравнение: y  3659,03  4028,84  x1  3587,93  x5  1536,35  x6  1198,07  x7 ( 10) где х1 - емкость ковша, м ; 3 39 х4 - масса экскаватора, т; х5 - радиус копания, м; х6 - скорость, км/ч; х7 - длительность рабочего цикла, с. Однако при таком подходе фактически игнорируются составляющие x1 и x3 функции (8). Нестабильность коэффициентов и невысокая точность метода препятствуют его широкому использованию. На Рис. 27 отображена информационно-логическая схема проектной процедуры материального нормирования. Проектная процедура материального нормирования предусматривает определение размеров заготовки исходя из заданных конструктором размеров детали, допусков на эти размеры и шероховатостей обрабатываемых поверхностей. При этом технолог назначает общий припуск на обработку, компенсирующий погрешности всех технологических переходов. Наиболее важной является задача нормирования металлического проката, составляющего от 70 до 90% всего исходного сырья в общем машиностроении. При нормировании металлопроката общие припуски назначаются нормативным (табличным) методом, исходя из имеющихся стандартов. Широкое применение именно нормативного метода вызвано не только его относительной простотой, но и тем, что в большинстве случаев заказы на приобретение исходных материалов или заготовок подготавливаются заранее, еще до разработки операционного техпроцесса, когда расчетно-аналитический метод применить не удается. При этом нельзя забывать о том, что нормативный метод завышает припуски на 6...15% по сравнению с расчетно-аналитическим. 40 Габаритные Число технологических размеры, переходов, допуски, величина шероховатости припуска Реквизиты ДСЕ Структурноиерархический анализ изделия Реквизиты ДСЕ Выборка ДСЕ на изделие Реквизиты ДСЕ Марка материала Нормы расхода Каталог подетальных норм Справочные таблицы Рабочие чертежи деталей Каталог проектируемых ДСЕ Нормы расхода Размеры заготовк и Определение общих припусков на обработку Размеры заготовки Выбор оборудования Размеры заготовки Нормы расхода на образцы Масса заготовки, отход на некратност ь Выбор типа заготовки Реквизиты ДСЕ Назначение образцов Норма расхода Выбор размеров исходного материала Марка материала , размеры Размеры заготовки материала , плотность Потери на отрезку и зажим Каталог оборудования Каталог материалов Марки материало Справочник допустимыхз амен материалов Определение окончательной нормы расхода Рис. 27 - Информационно-логическая схема проектной процедуры материального нормирования. Общий припуск T на механическую обработку сортового металлопроката является дискретной функцией вида (11) T  f1 NT , S , K  где S - обрабатываемый размер; NT - число технологических переходов при обработке размера S; 41 K - вид размера S (диаметр, длина, внутреннее отверстие и т.д.) В свою очередь, число переходов есть функция NT  f 2 KV , RZ  , где Kv - квалитет точности обрабатываемого размера; Rz - параметр шероховатости обрабатываемой поверхности. (12) Таким образом, что общий припуск зависит от четырех конструктивных параметров: величины и вида обрабатываемого размера, требований к точности обработки и шероховатости обрабатываемой поверхности. В Табл. 4 представлены данные стандарта для определения числа технологических переходов. Табл. 4 - Отношение для определения числа технологических переходов. min квалитет 10 12 14 max квалитет 9 11 13 17 min Rz, мкм max Rz, мкм 0,0 10,0 40,0 80,0 10,0 40,0 80,0 320,0 Число переходов и вид обработки 3 (чистовая) 2 (получистовая) 1 (черновая) 0 (без обработки) Вспомним о том, что норма включает в себя все технологические отходы и потери, возникающие при производстве. К ним относятся отходы на от' резку Wдз' (часть материала неизбежно перемалывается в стружку), зажим Wзаж (например, при зажиме прутка в патроне токарного станка его часть длиной ' 20..25мм безнадежно деформируется) и некратность материала Wнкм (если нужно изготовить три детали длиной 1,5м из пятиметрового швеллера, останется малополезный кусок в полметра длиной). Штрих во всех обозначениях означает величину, приведенную к одному метру длины материала, то есть мы говорим, что отход составит, скажем, 25мм на метр длины. Норма расхода материала M на одну деталь (в кг) находится как   Wнкм  )  М з‚ M  ( Lз  Wзаж (13) где Lз - длина заготовки (с учетом припуска на обработку); M з - масса одного метра длины нормируемого материала. 42 TL LДЕТ WДЗ WДЗ WЗАЖ WНКМ LЗАГ LМАТ - припуск; - потери на зажим; - отход на некратность. - потери на отрезку; Рис. 28 - Схема раскроя длинномерного проката. Поскольку после выполнения структурно-иерархического анализа становится известной количественная применяемость N нормируемой детали, окончательная норма расхода материала на изделие МИЗД равна МИЗД=М·N (14) Материал Единичная заготовка Деталь Групповая заготовка Деталь Деталь Рис. 29 – Единичные и групповые заготовки. Деталь 43 В ряде случаев целесообразно применение групповых заготовок, когда в заготовительном производстве исходный материал разрезается на групповые заготовки длиной LГР.З, а затем в основном производстве из каждой групповой заготовки изготавливается несколько деталей, т.е. фактически происходит замена материала длиной LМАТ на n материалов длиной LГР.З (Рис. 29). Применение групповых заготовок обычно вызывается ограниченными возможностями оборудования основного производства по обработке исходных материалов большой длины, трудностями транспортировки и складирования таких материалов. Расход материала при этом возрастает, поскольку добавляются потери на отрезку групповых заготовок от исходного материала. При нормировании групповых заготовок технолог назначает либо непосредственно длину групповой заготовки LГР.З, либо количество деталей NГР, получаемых из нее. Два этих параметра связаны между собой следующим образом: LГР.З =NГР·LЗ+(NГР-1) ·WДЗ+WЗАЖ NГР=int((LГР.З-WЗАЖ-LЗ)/(LЗ+WДЗ)+1) (15) Для групповой заготовки назначается группа оборудования для ее отрезки от исходного материала и находятся значения потерь на отрезку заготовок от материала WГР.З и на зажим материала WГР.ЗАЖ. соответственно Теперь можно определить приведенные отходы на некратность заготовки W’НКЗ и некратность материала W’ГР.НКМ: W’НКЗ=(LГР.З-WЗАЖ-NЗМ·LЗ-(NЗМ-1) ·WДЗ).NЗМ W’ГР.НКМ=(LМАТ-WГР.ЗАЖ-NГР·LГР.ЗАЖ-(NГР-1) ·WГР.З)/(NГР·NЗМ) (16) Норма на деталь при использовании групповых заготовок с учетом дополнительных потерь равна: М=(LЗ+W’ЗАЖ+W’НКМ+W’НКЗ+W’ГР.НКМ) ·МЗ (17) Переход к безбумажной технологии выполнения процедур КТПП позволяет автоматизировать трудоемкие расчеты норм расхода материалов, а также избавляет технолога от необходимости использования справочных таблиц, которые в системе автоматизации представлены в виде баз данных. Наибольшие трудности представляет нормирование листового проката. К листовому следует отнести такие профили, при использовании которых заготовки на материале могут размещаться более чем в один ряд: лента и лист. В отличие от длинномерного проката глубокая оптимизация размещения заготовок на листовом материале на этапе технологической подготовки производства нецелесообразна ввиду высокой сложности и трудоемкости сбора и хранения информации о конфигурации заготовок и имеющихся деловых от- 44 ходов. На этапе материального нормирования расчетная норма расхода должна обеспечивать гарантированное получение детали независимо от применяемых в дальнейшем методов оптимизации раскроя. Поэтому при нормировании листовых профилей следует выполнять минимальную оптимизацию: заготовка вписывается в прямоугольник со сторонами, равными ее габаритным размерам, и рассматриваются возможные способы размещения этих прямоугольников на исходном материале. При этом учитывается технологическое ограничение, накладываемое многими видами оборудования и заключающееся в возможности выполнения только сквозных, от края до края, резов. Из конструкторской документации берутся габаритные размеры детали: длина L, ширина B и толщина S. Припуски на мехобработку по длине, ширине и толщине и отходы на отрезку WДЗ и зажим WЗАЖ определяются, как и в случае использования длинномерного проката. Далее технолог выбирает материал из заданного стандартом ряда или из ограничительной нормали предприятия с размерами LМАТ, BМАТ и SМАТ, для которого выполняются условия: LМАТ LЗАГ, BМАТ BЗАГ, SМАТ SЗАГ. Как единичная, так и групповая заготовка может быть размещена на материале двумя способами ( Рис. 30). Рис. 30 - Способы размещения заготовок на листовом материале. Для этих двух случаев находится число получаемых из материала заготовок (подразумевается, что по толщине размещается одна заготовка): N1  (int(( LМАТ  W‚АА  L‚АА ) /( L‚АА  WЂ‚ ))  1)     (int(( BМАТ  B‚АА ) /( B‚АА  WЂ‚ ))  1)   N 2  (int(( BМАТ  W‚АА  L‚АА ) /( L‚АА  WЂ‚ ))  1)  (18)   (int(( LМАТ  B‚АА ) /( B‚АА  WЂ‚ ))  1)  45 и выбирается оптимальный вариант N=max(N1,N2). Зная число заготовок, получаемых из материала, можно определить приведенные отходы на некратность W’НКМ (отдельно по длине и по ширине) и зажим W’ЗАЖ . При использовании ленты, поставляемой в бухтах, отход на некратность материала не определяется и принимается равным нулю (длина ленты считается бесконечной). Применение групповых заготовок (полос) из листового материала вызывает необходимость рассмотрения не только двух возможных вариантов размещения групповых заготовок на материале, но и двух вариантов размещения деталей на групповой заготовке ( Рис. 31). Рис. 31 - Размещение групповых заготовок из листового материала. 46 После задания размеров полосы LГР.З и BГР.З, один из которых должен совпадать с соответствующим размером материала, и выбора оптимального способа ее размещения рассчитывается число деталей, получаемых из полосы: N 1ГР  (int(( L ГР.З  WЗАЖ  LЗАГ ) / ( LЗАГ  WДЗ ))  1)     (int(( B ГР.З  B ЗАГ ) / ( B ЗАГ  WДЗ ))  1)   N 2 ГР  (int(( B ГР.З  WЗАЖ  LЗАГ ) / ( LЗАГ  WДЗ ))  1)     (int(( L ГР.З  B ЗАГ ) / ( B ЗАГ  WДЗ ))  1)  (19) и аналогично находится оптимальный вариант NГР=max(N1ГР, N2ГР). Тогда общее число деталей, изготавливаемых из материала выбранного размера, составит Nt=NNГР. При плотности материала, равной , определяется норма расхода для случаев единичной М=(LЗАГBЗАГ+(W’НКМ+ W’ЗАЖ))Nt SЗАГ (2 0) и групповой заготовок: М=(LЗАГBЗАГ+(W’НКМ+ W’ЗАЖ))(N+NГР ) SЗАГ ( 21) 6. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РАЗРАБОТКА 6.1. Формирование ТП При автоматизации разработки технологического процесса обработки резанием основные усилия должны быть направлены на повышение эффективности как самой автоматизации, так и технологических процессов, обеспечивающих улучшение качества продукции, снижение трудовых затрат, повышение производительности труда. Методика базируется на типовых и групповых процессах, типовых решениях с использованием расчетноаналитического и статистического методов исследования точности. Исходную информацию и параметры разрабатываемого процесса получают путем теоретических и экспериментальных исследований, а также производственных наблюдений. В результате переработки исходной информации получают типовые и индивидуальные решения. Индивидуальные решения используют для конкретных производственных ситуаций, а типовые могут служить основой для разработки нормативных материалов и справочных данных. При ав- 47 томатизации разработки технологических процессов используют типовые процессы и решения. В основе разработки технологических процессов лежат два принципа: технический и экономический. Из нескольких возможных вариантов технологического процесса изготовления одного и того же изделия, равноценных с позиции технического принципа, лежащего в основе разработки, выбирают наиболее эффективный (т. е. производительный) и рентабельный вариант. При равной производительности спроектированных вариантов выбирают наиболее рентабельный, а при равных рентабельностях - наиболее производительный. При разных производительностях и рентабельностях выбирают наиболее рентабельный вариант при условии, что производительность всех сравниваемых вариантов не ниже заданной. В ряде случаев в рамках данного завода на определенный период времени за основу может быть принят наиболее производительный вариант процесса. Автоматизированная разработка технологического процесса обработки (англ. CAM – computer-aided manufacturing или CAPP – computer-aided process planning) включает ряд последовательных задач, которые представлены в виде укрупненной блок-схемы на Рис. 32. Заданные свойства изделия (детали) в результате воздействия преобразующей системы технологического процесса превращаются сначала в промежуточные свойства, а затем в конечные, которые должны соответствовать заданным свойствам детали. Построение станочных операций ведут с учетом оптимизации. При этом оптимизацию проводят только для тех операций, которые обеспечивают эффективность процесса обработки. Для оставшихся операций всю информацию принимают по нормативным или заводским данным и вводят в память компьютера. При оптимизации используют также типовые решения, например, маршрут обработки отверстия заданной точности мерным инструментом — сверление, зенкерование, развертывание и др. В конце проектирования формируют процесс для конкретных условий с учетом его оптимизации. Для определения последовательности операций необходимо иметь типовые решения (например, место и количество операций термической обработки). Этот метод применяют, когда трудно разработать технологический маршрут на основе типовых решений. Таким образом, при автоматизированной разработке процессов обработки резанием используют типовые решения и проводят их анализ и оптимизацию с учетом производственных условий, а также создают конкретные оптимальные технологические процессы и решения на основе научных положений технологии машиностроения. 48 Чертеж детали Заданные свойства детали Выбор заготовки Типовые процессы Построение маршрута обработки Типовые решения Разработка станочных операций Формирование ТП Разработка документации Корректировка ТП Готовая деталь Рис. 32 – Последовательность разработки ТП обработки резанием. Всякое технологическое решение, прежде чем становится производственным документом, проходит две основные стадии. На первой стадии (проектной) решение отрабатывается, исходя из технико-экономических показателей определенного производственного участка с учетом имеющейся номенклатуры оборудования, приспособлений и инструмента. На второй стадии (внедрении) первоначальный вариант решения корректируют с учетом ряда технических и организационных задач, таких как загрузка оборудования, последовательность запуска изделий в производство и т. д. Разрабатывают наилучший из возможных вариантов технологического решения, который обеспечивает выполнение заданных чертежом технических условий на деталь и минимальные затраты времени и средств. Объем работ на второй стадии в значительной степени зависит от качества работ. Определение продолжительности, качества и стоимости второй стадии технологического решения является по своему характеру элементом первой проектной стадии. 49 Например, на стадии внедрения технологического процесса по какой-нибудь предметно-замкнутой или поточной линии установлено, что станок не может выполнить все запланированные операции за заданный промежуток времени. В этом случае встает вопрос о выборе иных вариантов выполнения операций для ряда деталей. Это значит, что необходимо разработать новые технологические процессы, пользуясь теми же методами, но при условии обеспечения суммарного минимума затрат на изготовление определенного числа деталей. Это достигается на стадии разработки технологических процессов. Автоматизация разработки ТП Определение исходных данных и их ограничений Разработка методики Разработка алгоритмов Программирование Внедрение Рис. 33 – Этапы автоматизации ТП. Автоматизация разработки технологических процессов включает в себя ряд последовательных этапов (Рис. 33): разработку методики проектирования, определение исходных данных и их ограничений для разработки алгоритмов, кодирование, программирование, внедрение и др. При разработке алгоритмов необходимо знать математические методы. Анализ существующих методов технологических исследований показывает, что наиболее полно отвечает поставленным требованиям метод математического моделирования в сочетании с теоретическими и экспериментальными исследованиями, а также с производственными наблюдениями. Достоинством этого метода является 50 его большая универсальность и возможность математической оптимизации процесса. 6.2. Формирование маршрута обработки Основу формирования технологического процесса обработка резанием составляют маршрут, полученный для конкретной детали из обобщенного маршрута, и разработанные станочные операции. Оптимизация станочных операций позволяет корректировать маршрут, т. е. определять оптимальное количество операций в маршруте, уточнять необходимое оборудование и оснастку. Блоки формирования операций по каждому методу обработки могут быть разработаны с различной степенью детализации в зависимости от нужд производства, от величины удельной трудоемкости, приходящейся на конкретный метод обработки. В ряде случаев оптимизация станочных операций не требуется, например при сверлении поперечного отверстия в ступенчатом вале, фрезеровании шпоночного паза и др. Здесь используют существующие зависимости для расчета режимов резания или производят аппроксимацию табличных нормативных данных для последующей разработки алгоритма и программы расчета. В ряде случаев, когда отсутствуют типовые маршруты, производят их автоматизированное формирование на основе множества известных переходов на отдельные поверхности. Вначале устанавливают маршруты обработки каждой поверхности, а затем на их основе формируют и определяют последовательность операций. Для определения последовательности выполнения операций необходимо заранее иметь типовые решения. В результате многовариантного построения каждой операции формируется граф возможных вариантов технологического процесса обработки детали (Рис. 34). Выбор оптимального варианта производят по приведенным затратам. Разработка маршрутно-операционной технологии осуществляется на двух уровнях с различной степенью детализации проектных решений - это разработка маршрутов прохождения деталей и сборочных единиц (ДСЕ) по цехам и разработка маршрутно-операционных технологических процессов. Эти две задачи в принципе устанавливают последовательность осуществления производственного процесса изготовления ДСЕ.. Маршруты прохождения деталей по цехам определяют уровни технологической системы предприятия и технологических систем подразделений, а маршрутнооперационная технология - технологическую систему процесса и технологические системы операций (Рис. 35). шлифовальные операции фрезерные операции чистовые токарные операции черновые токарные операции виды заготовок деталь заготовка 51 Рис. 34 – Сетевая схема вариантов ТП. В результате выполнения межцеховой технологической маршрутизации разрабатывается ведомость технологических маршрутов, которая предназначена для указания данных, определяющих технологический маршрут изготовления изделия, ДСЕ, входящих в изделие. Ведомость технологических маршрутов разрабатывается до разработки комплектов документов на технологические процессы. В результате разработки маршрутно-операционных технологических процессов получается комплект описаний технологических процессов. На основе данных описаний в соответствии с требованиями ЕСТД могут выпускаться различные формы технологических документов: маршрутные карты, операционные карты, ведомости операций, ведомости оснастки и т.п. 52 Разработка конструкторской документации Комплект спецификаций Комплект спецификаций спецификаций иКомплект рабочих чертежей и рабочих чертежей и рабочих чертежей Межцеховая технологическая маршрутизация Извещения об изменениях конструкторских проектных решений Проведение изменений технологических проектных решений Согласование проектных решений Ведомость технологических маршрутов Комплект спецификаций Комплект спецификаций спецификаций иКомплект рабочих чертежей и рабочих чертежей и рабочих чертежей Разработка маршрутнооперационных технологических процессов Комплект описаний технологических процессов Технологические системы предприятия и подразделений Технологические системы процессов и операций Производственный процесс Рис. 35 – Задачи разработки технологической структуры производственного процесса 6.3. Автоматизация технологической маршрутизации Решению задачи межцеховой технологической маршрутизации предшествует подготовка информации об анализируемом изделии и занесение ее в базу данных состава изделия (БДСИ). По каждой детали и сборочной единице в БДСИ создается запись, которая помимо прочей информации должна содержать информацию и о структуре изделия, которая позволит выполнять операцию разузлования. Так как в БДСИ может находиться состав не одного, а нескольких различных изделий, то для формирования ведомости техноло- 53 гических маршрутов на детали одного изделия, возникает задача выбора из этого отношения комплекта спецификаций на требуемое изделие. На основании комплекта, полученного в результате проведения операции разузлования, формируется ведомость применяемости деталей, сборочных единиц и изделий, которая используется для определения применяемости ДСЕ и определения их количественного состава. В ведомости применяемости ДСЕ представляются все необходимые данные по применяемости составных частей изделия и, кроме этого, предусматривается возможность последующего внесения данных по технологическому маршруту. На основании этой информации формируется ведомость технологических маршрутов, которая предназначена для указания данных, определяющих технологический маршрут изготовления изделия в целом и ДСЕ, входящих в изделие. Разузлование изделия Формирование машинокомплекта на изделие Формирование ведомости применяемости ДСЕ БД состава изделий Разработка технологических маршрутов Банк машинокомплектов Формирование ведомости технологических маршрутов Автоматизация проведения изменений технологических маршрутов Рис. 36 - Автоматизация межцеховой маршрутизации 54 Сформированная ведомость технологических маршрутов передается в соответствующие службы предприятия для последующей обработки. В дальнейшем возникает необходимость конкретизации разработанных технологических маршрутов в соответствии с неизбежными конструкторскими и технологическими изменениями с выпуском соответствующих извещений об изменениях. Регистрация технологического процесса единичного единичного по аналогу типового Банк технологических проектных решений Банк технологических модулей Проектирование технологического процесса: по типовому изменение Автоматизированный расчет норм времени на технологические переходы Автоматизированный расчет норм времени на технологические операции Формирование комплекта выходных технологических документов Передача разработанного комплекта технологических докумен тов в с и ст е м у а в т о м а ти з и р о в а н н о го конструкторско-технологического оборота Автоматизация проведения технологических изменений Банк технологической оснастки Банк технологического оборудования Банк технологических операций Банк технологических переходов Банк типовых технологических процессов Банк описаний форм технологических документов Банк укрупненных норм времени Рис. 37- Алгоритм автоматизированного проектирования технологических процессов. 55 Таким образом, при разработке межцеховой маршрутизации выполняется набор проектных процедур, представленных на Рис. 36. Автоматизация разработки маршрутно-операционных технологических процессов. Автоматизированное проектирование технологических процессов осуществляется по следующему алгоритму (Рис. 37). Во-первых, технологу необходимо зарегистрировать новый технологический процесс в иерархически структурированном банке технологических проектных решений, причем множество разработанных ранее проектных решений приобретает качество базы знаний как минимум в том случае, когда оно структурировано и упорядочено в соответствии с представлениями технолога о предметной области. Для практической реализации процедуры итерационного структурирования технологических проектных решений необходимо наличие соответствующим образом организованного каталога технологического процесса (ТП). Каталог ТП должен представлять собой древовидную структуру, которая состоит из описаний техпроцессов и групп ТП. Каждая группа может включать один или несколько ТП и подгруппы ТП нижнего, по отношению к текущему, уровня иерархии. На самом верхнем уровне расположены также описания технологических процессов, не вошедшие ни в одну из групп ТП (так называемые нерасклассифицированные), на самом последнем - только описания техпроцессов, входящих в группу нижнего уровня иерархии. Здесь технологу предоставлены следующие возможности:  перемещение и поиск в каталоге ТП;  регистрация нового и аннулирование старого ТП;  просмотр реквизитов ТП;  управление отображением каталога ТП на экране;  вызов модуля редактирования реквизитов и содержимого ТП;  вызов модуля формирования выходных печатных форм;  выбор технологического процесса-аналога;  отнесение описания ТП к группе описаний ТП;  передача спроектированного комплекта технологических документов в систему автоматизированного конструкторско-технологического оборота. На следующем этапе автоматизированного проектирования технологических процессов осуществляется собственно проектирование ТП, которое выполняется в одном из возможных режимов: 1. проектирование единичного технологического процесса; 2. проектирование единичного технологического процесса с использованием технологического процесса-аналога; 3. проектирование типового технологического процесса; 4. проектирование технологического процесса по типовому ТП; 5. изменение технологического процесса. 56 При проектировании единичного технологического процесса с использованием технологического процесса-аналога технологу необходимы средства для быстрого поиска требуемого ТП, предполагаемого к использованию в качестве аналога, в иерархически структурированном банке технологических проектных решений. При этом имеется возможность взятия за основу нового ТП как всего ТП-аналога, так и любой его части. Проектирование типового технологического процесса не отличается от процесса проектирования единичного ТП на стадии формирования самого типового технологического процесса. После окончательной разработки типового ТП он становится недоступным для редактирования и может использоваться для проектирования подтиповых технологических процессов. После проектирования технологического процесса производится автоматизированный расчет норм времени на технологические операции. При этом наиболее применимым нормативно-техническим документом по нормам времени для единичного, мелкосерийного и среднесерийного производств являются "Общемашиностроительные укрупненные нормы времени на работы, выполняемые на металлорежущих станках", разработанные НИИтруда в 1989 г. В представленных в них методиках наряду с основным временем приведены и рекомендуемые режимы резания. После разработки, оснащения технологического процесса средствами технологического оснащения и его нормирования происходит формирование комплекта выходных технологических документов в соответствии с требованиями ЕСТД. Здесь следует отметить, что в настоящее время стандартами и рекомендациями ЕСТД устанавливаются унифицированные формы документов, которые имеют общие правила оформления, а это способствует сокращению применяемых форм документов. Причем современные стандарты и рекомендации ЕСТД учитывают требования, предъявляемые средствами вычислительной техники к документам при их проектировании и обработке информации. Формы документов имеют модульные, модульно-блочные, блочные и элементно-блочные принципы построения, что позволяет их удобно применять в условиях внедрения средств автоматизации. специализированных по методам изготовления и ремонта изделий. В 1988 г. в состав ЕСТД была включена рекомендация Р 50-54-71-88 "ЕСТД. Автоматизированное формирование форм технологических документов на основе базы данных". Этот документ предусматривает перспективу совершенствования действующей системы стандартов. Дело в том, что жесткая регламентация форм технологических документов иногда вызывает определенные нарекания в промышленности из-за отсутствия гибкости и установления определенного состава информации, необходимой для конкретного предприятия. Этот недостаток позволяет устранить указанная рекомендация, в которой приведены общие положения по автоматизированному формированию форм технологических документов на основе базы данных. Поэтому для реализации рекомендаций ЕСТД необходима информационная технология, предоставляющая пользователю возможность самостоятельно производить изменения форм и содержания печатных документов, 57 получаемых по результатам проектирования технологических процессов. Она позволяет пользователю средствами специального языка описать форму технологической карты, содержание и последовательность размещения информации при печати документа. Содержанием последнего этапа автоматизированного проектирования технологических процессов является передача разработанного комплекта технологических документов в систему автоматизированного конструкторско-технологического документооборота для рассылки соответствующим службам предприятия. Для реализации этой процедуры реализуется протокол обмена документами между специализированной САПР технологических процессов и системой документооборота. Это позволило в полном объеме интегрировать САПР ТП в систему автоматизированного конструкторскотехнологического оборота как систему с "открытой" архитектурой. 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ДОКУМЕНТООБОРОТА ПРОМЫШЛЕННОГО В наше время все больше промышленных предприятий и конструкторских бюро внедряют системы автоматизированного проектирования. В некоторых организациях этот процесс только начинается, в других установлены уже десятки и даже сотни рабочих мест. Но, несмотря на все различия в подходах, можно с уверенностью утверждать: рано или поздно каждому предприятию, вставшему на путь автоматизации, придется решать проблему организации инженерного документооборота (англ. docflow). Как известно, пакеты САПР работают с документами, представленными в электронном виде. Каждый чертеж обычно представляет собой отдельный файл; иногда к нему прилагается еще несколько файлов - описания, извещения и т.п. Чертеж отдельной детали логически связан с чертежом сборочной единицы, при этом одна и та же деталь может входить сразу в несколько сборок. Над проектами работают, как правило, несколько конструкторов одновременно. Все это порождает следующие проблемы: Проблема поиска. Проблема заключается в том, что в файловой системе компьютера единственный осмысленный атрибут хранения - имя файла, а для успешной организации хранения, поиска и доступа к инженерным документам одного имени файла явно недостаточно. Проблема выборок. Перед конструктором ежедневно встает задача произвести выборку из существующего множества документов по определенным критериям. Критерии выборок при реальной работе могут включать в себя практически любую комбинацию граф основной надписи. Проблема иерархии. Проекты состоят из документации, чертежей деталей и сборочных единиц. В свою очередь, сборочные единицы состоят из подсборок, подсборки - из деталей и т.д. Система хранения документации должна обеспечивать иерархическое построение структуры, так как при больших объемах базы данных работать в линейных списках невозможно. 58 Проблема прав доступа. Вполне понятно, что не каждый работник должен иметь возможность редактировать, копировать и удалять любой документ, разработанный документ. Кто-то должен иметь права на изменение определенных документов проекта, а кто-то - только на просмотр этих документов плюс права на коррекцию документов другого проекта. Другие специалисты вообще не должны иметь доступ к некоторой конфиденциальной информации. Без налаженной системы документооборота произвести разграничение прав на структурированном множестве технической документации весьма проблематично. В то же время без такого разграничения возможны несанкционированное копирование, удаление, исправление документов, т.е. действия, которые могут нанести серьезный урон предприятию (как финансовый, так и технологический). Крайне важной бывает возможность просмотреть историю жизненного цикла документа - когда и кем редактировался, просматривался, копировался и т.п. Проблема версий. Любой технический документ за время своего жизненного цикла просматривается и корректируется несколькими специалистами, проходит множество стадий разработки и утверждения. Поэтому вполне естественно желание фиксировать версии и даже подверсии документа по мере его создания и редактирования. Проблема архива. Любое предприятие имеет архивную службу. Естественно, самый удобный тип архива - электронный. При этом он должен быть централизованным, надежным и быстродоступным. Помещение документов в архив и их получение должно быть практически мгновенным. В настоящее время встречается методика хранения архива на дискетах, что о такой степени надежности хранения архива говорить не приходится. Проблема управления. Система документооборота должна быть хорошо управляемой, что значит должны обеспечиваться широкие возможности по управлению способами хранения данных, их архивации, заданию прохождения документов и т.п. 7.1. Структура информационных потоков на предприятии Реализация всех преимуществ САПР возможна лишь в том случае, если в ее состав включить такую организационную структуру, в которой любая информация легко доступна или обеспечена ее автоматическая передача между отдельными составными частями структуры (подразделениями предприятия). Повышение качества и оперативности конструкторскотехнологической подготовки производства на современном машиностроительном предприятии обеспечивается за счет параллельной работы соответствующих служб предприятия. При этом все специалисты от дизайнера до технолога работают в единой “команде”, используя общую базу данных и общий подход к разработке изделия. Такая организация работы требует интенсивного обмена документами между разработчиками проекта, а примене- 59 ние различных САПР обусловливает функционирование потока документов в электронном виде. За период своего обращения конструкторско-технологические документы проходят некоторый жизненный цикл, который включает в себя следующие этапы: разработка; комплектование; дублирование; рассылка; применение; учет и хранение; изменение (пересмотр, ревизия); отмена (замена) и т.д. При этом в течении жизненного цикла документа его содержание постоянно изменяется, вызывая необходимость выпуска соответствующих извещений о конструкторских и технологических изменениях, рассылаемых во все заинтересованные службы предприятия. Система автоматизированного конструкторско-технологического документооборота, как правило, обеспечивает выполнение следующих основных функций: параллельный инжиниринг; поиск документов, в том числе связанных; контроль доступа к документам в зависимости от уровня привилегий; создание и ведение электронного архива документов; создание резервных копий документов; оформление и проведение изменений; правильную и бесперебойную циркуляцию документов; интеграцию с программным обеспечением, применяемым на предприятии; ведение протокола обращений к документам. Система автоматизированного конструкторско-технологического документооборота обеспечивает функционирование следующей системы информационных потоков (Рис. 38). Для интеграции различных компьютерных систем в единую систему конструкторско-технологического документооборота необходимо разработать соглашения по протоколу обмена документами между специализированными САПР и системой документооборота. В соответствии с этим положением все специализированное программное обеспечение условно разделяется на два класса: с "открытой" архитектурой и с "закрытой" архитектурой. Компьютерная система имеет "открытую" архитектуру, если имеется тесный контакт с ее разработчиками, которые могут внести в нее дополнительный модуль, обеспечивающий интерфейс специализированной САПР с системой документооборота. В этом случае становится возможным обеспечить полную интеграцию такой САПР. Данное обстоятельство позволяет хранить электронные документы в двух видах: во внутреннем формате представления данных специализированной САПР или в виде файла, содержащего текст или чертеж, соответствующего представлению документа на традиционном бумажном носителе. Хранение варианта документа во внутреннем формате представления данных специализированной САПР значительно упрощает процесс проведения неизбежных в условиях реального промышленного производства изменений в документах. Системы с "закрытой" архитектурой интегрируются только через промежуточные файлы данных, содержащие представление документов, аналогичное представлению на бумажном носителе. 60 Рабочее место №... Рабочее место №1 Администратор сервера Сервер ОГК ОГК ОГТ Конструкции новых изделий, изменения в конструкциях изделий Предложения для изменения контструкций изделий с целью улучшения их технологичности Рабочее место №... Рабочее место №1 ТБ Разработка СТО Администратор сервера Разработка техпроцессов Рабочее место №1 Сервер ОГТ Рабочее место №... Рабочее место №1 КБ Рабочее место №... Руководство Управление разработкой технологии Материальные нормы, маршруты расцеховки, технологии изготовления изделий, извещения об изменениях Предложения об улучшении технологий обработки изделий при освоении их производства Рабочее место №1 Рабочее место №... Рабочее место №1 БМН Администратор сервера Рабочее место №... БМК Разработка материальных норм Разработка маршрутов расцеховки Сервер ОАСУП Рабочее место №1 Рабочее место №... ОАСУП Рабочее место №1 Рабочее место №... Рабочее место №1 Рабочее место №... Подразделения и цеха предприятия Рис. 38- Схема обмена конструкторско-технологическими документами на предприятии Для защиты документов от несанкционированного доступа администратором системы устанавливаются различные права и система документооборота осуществляет их контроль при обращении к документам. Кроме того обеспечена защита от одновременного редактирования документа и несанкционированного копирования файлов документов. 7.2. Порядок прохождения документов и проведения изменений Рассмотрим прохождение документов по системе промышленного документооборота. Из службы главного конструктора в службу главного технолога поступают описания конструкций новых изделий и описания изменений в конструкциях изделий. Далее под управлением руководства в отделе главного технолога осуществляется разработка технологии или изменений в технологии. На основании данных службы главного конструктора разрабатываются материальные нормы, маршруты прохождения деталей по цехам, маршрутнооперационные технологические процессы, проектируются средства технологического оснащения. Связь руководства и технологических бюро между собой осуществляется через общий сервер службы главного технолога. 61 В свою очередь существует обратный информационный поток из узла главного технолога в узел главного конструктора, по которому проходят предложения для изменения конструкций изделий для улучшения их технологичности. Узел главного технолога выдает материальные нормы, ведомости технологических маршрутов, технологии изготовления изделий, извещения об изменениях. Эта информация поступает на сервер службы АСУП, задача которого дальнейшее ее распространение по другим узлам. В свою очередь через ОАСУП от подразделений предприятия поступают предложения об улучшении технологии обработки изделий при освоении их производства. Новые технические требования Конструкторские изменения Извещение об изменении Новые условия производства Технологические изменения Рис. 39- Конструкторские и технологические изменения. Огромную важность имеет задача проведения изменений в проектных решениях. Как показывает опыт работы машиностроительных предприятий, большую часть времени (70..90%) конструкторы и технологи занимаются не проектированием изделий и техпроцессов "с нуля", а внесением изменений в ранее принятые проектные решения. Следует выделить два принципиально разных вида изменений, условно названных "конструкторские" и "технологические". Конструкторские изменения затрагивают конструкторскую документацию и неизбежно влекут за собой и технологические изменения. Технологические изменения же затрагивают только непосредственно процесс изготовления изделия (Рис. 39). К конструкторским изменениям относятся, к примеру, модификации, направленные на устранение выявленных в процессе эксплуатации недостатков изделия. Технологические изменения вызываются изменениями в условиях производства: сменой парка оборудования, переходом на закупку иных исходных материалов, внедрением ресурсосберегающих технологий и т.д. В соответствии с требованиями ЕСТД и стандартов предприятия каждое изменение влечет за собой выпуск извещения об изменении установленного образца. Далее начинается процесс согласования изменения со всеми заинтересованными службами, причем каждая из них указывает, начиная с 62 какой даты она готова принять данное изменение. Это связано в основном с наличием производственных запасов, которые должны быть исчерпаны до введения изменения в действие. Традиционная "бумажная" технология предусматривает выпуск извещения об изменении службой-инициатором, согласование извещения с другими службами и принятие решения о вводе изменения в действие или о его аннулировании. При этом нет четкого различия между понятиями "предложение об изменении" (направляемое на согласование) и "извещение об изменении" (сообщение о согласованном и принятом к исполнению изменении). Весь процесс оказывается весьма трудоемким и запутанным. Высока вероятность пропуска одной из заинтересованных служб в процессе согласования или принятия предложения об изменении за извещение, что приведет к преждевременному вводу изменения в действие одной из служб. Кроме того, часто необходимо отслеживание истории проектного решения, т.е. ведение каталога вносимых в него изменений, что в бумажном варианте, как правило, вообще не реализуется. В условиях применения средств автоматизированного документооборота проведение изменений становится важнейшей задачей, без решения которой САПР будет использоваться лишь 20..30% рабочего времени. К сожалению, проблеме проведения изменений обычно не уделяется должного внимания и большинство имеющихся на рынке систем ориентированы именно на разработку проектных решений "с нуля". Инициатор изменения Предложение об изменении Список расссылки Диспетчер Даты введения Процесс Процесс Оповещаемые службы Дата проведения изменения Рис. 40- Согласование предложения об изменении. Проведение изменений требует выполнения следующих условий: 1. Отслеживание изменений, вносимых в проектное решение той или иной проектной процедурой; 63 2. Наличие средств связи между службами предприятия для передачи предложений и извещений об изменениях; 3. Проведение согласованных изменений в базе проектных решений один раз в строгом соответствии с календарным графиком; 4. Организация каталога изменений для каждого проектного решения. При инициировании изменения одной из служб система реализует два круга (прохода) передачи информации о нем: проход согласования и проход уведомления. Организацию передачи информации берет на себя модульдиспетчер. Инициирующая изменение служба готовит предложение об изменении и список рассылки. Диспетчер в соответствии со списком оповещает заинтересованные службы и собирает от каждой от них ответы с указанием даты, с которой рассматриваемое изменение может быть введено в действие. Таким образом, осуществляется первый (согласовательный) проход предложения об изменении (Рис. 40). После того, как все службы сообщили диспетчеру даты введения изменения в действие, диспетчер может разрешить службе-инициатору доступ к базе проектных решений для единовременного выполнения изменения и выпуска извещения о нем, также направляемого диспетчеру. Начиная с этого момента, все службы будут пользоваться уже пересмотренным проектным решением. Для учета этого факта им направляется извещение. Изменение базы проектных решений выполняется службойинициатором, а не диспетчером потому, что большое разнообразие возможных изменений не позволяют осуществлять их при помощи единого модуля. Однако диспетчер дает разрешение другим модулям системы на доступ к базе проектных решений и выполняет отслеживание истории изменений, относящихся, например, к одному изделию или к одному узлу. Таким образом, два круга проведения изменений с четким различием между ними позволяют успешно решить рассматриваемую проблему. 8. ЗАДАЧИ ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИИ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ Напомним, что под диспетчеризацией понимают разнообразные задачи, решаемы уже после завершения КТТП, т.е. непосредственно в ходе производственного процесса. Понятно, что к задачам диспетчеризации предъявляются еще более жесткие требования по строкам выполнения. Например, суточные и сменные задания должны разрабатываться не дольше, чем 3..4 часа, иначе вся разработка становится бесполезной. Результаты диспетчеризации зависят от конкретной ситуации на производственном участке в данный момент времени. Поскольку производственный процесс носит стохастический характер, практически невозможно заранее предсказать, скажем, точный объем и конфигурацию отходов листового материала в вечернюю смену. Между тем наличие такой информации необходимо для решения крайне важной задачи экономии материалов за счет применения боле экономичных способов раскроя. 64 8.1. Оптимизация раскроя Оптимизация раскроя (англ. 2D packing) – одна из основных задач диспетчеризации. При ее решении возникает следующее трудноразрешимое противоречие: с одной стороны, для глубокой оптимизации и экономии материала нужны сложные и долго работающие алгоритмы; с другой стороны, в ходе производственного процесса просто нет времени на генерацию самых оптимальных планов раскроя, которая в сложных случаях требует нескольких часов работы даже современных быстрых компьютеров. Что же делать? Как правило, в реальной жизни при оптимизации вводят некоторые критерии, по которым процесс размещения считается завершенным, даже если полученный вариант не является самым оптимальным. К таким критериям в первую очередь относится коэффициент использования материала (КИМ). Чем он выше, тем больше материала используется для изготовления деталей. Можно определять КИМ для каждого генерируемого алгоритмом плана раскроя за заданный период времени и применять тот план, у которого КИМ окажется максимальным. Хотя полученное решение не является глобальным экстремумом функции размещения, в условиях дефицита времени оно оказывается оптимальным. Задачами оптимизации раскроя занимались и занимаются многие исследователи, в том числе такие известные, как Колмогоров, Келдыш, Гаусс. Несмотря на кажущуюся простоту задачи, и по сей день нет единственного наилучшего и универсального алгоритма ее решения. Это связано как со сложностью самой задачи, так и с различными видами раскроя, применяемыми в промышленности ( Рис. 41). Раскрой В полосе Фигурный Гильотинный В прямоугольнике Линейный Прямоугольный Рис. 41 - Классификация видов раскроя. Разделение раскроя на фигурный и гильотинный связано прежде всего с технологическими возможностями применяемого оборудования, позволяющего либо вырезать заготовки произвольной конфигурации (газовая 65 резка, лазер), либо выполнять только сквозные резы от края до края исходного материала (гильотинные ножницы). Для облегчения задачи, как и при проектировании ТП, в оптимизации раскроя применяются типовые решения ( Рис. 42). Существуют справочники, где приводятся таблицы типовых раскроев полосы в зависимости от требуемой геометрии заготовки. Для каждого типового варианта можно заранее подсчитать коэффициент использования материала и использовать его для выполнения нормирования. Рис. 42 – Типовые раскрои полосы. Оптимизация одномерного раскроя. Рассмотрение задач оптимизации раскроя начнем с простейшего одномерного случая – раскроя длинномерного проката. Применение длинномерного сортового металлопроката неизбежно приводит к образованию потерь на некратность материала по длине. Отходы металла в среднем по предприятиям машиностроения составляют 29%, что свидетельствует о наличии больших резервов экономии. Для сортового проката отходы составляют от 35 до 60%, из них лишь половина используется повторно. Задача оптимального раскроя длинномерного проката решается поразному в зависимости от типа производства. Для крупносерийного и массового производства характерно получение значительного числа заготовок одинаковой длины Lзаг из материала стандартной длины Lмат. В данном случае отход на некратность (22) WНКМ  LМАТ  LЗАГ  int( LМАТ / LЗАГ ) может быть сокращен только за счет оптимального выбора Lмат, поскольку Lзаг=const и определяется конструкторскими (размеры детали) и технологическими (припуск на мехобработку) требованиями. 66 В условиях средне- и мелкосерийного производства чаще решается задача оптимального получения n1 заготовок длиной L заг1 , n2 заготовок длиной L заг2 ,...nm заготовок длиной L загm (m - число рассматриваемых размеров заготовок из одного и того же материала в производственной программе предприятия) из материала длиной Lмат. При этом решается задача целочисленной оптимизации вида ( L мат  n1  L заг1 ... n m  L загm ) 2  min  int( L мат / L заг1 )  n1  p1 (23)      int( L мат / L загm )  n m  p m где p   p1  pm  - вектор технологических параметров оптимизации, указывающий приоритет i-й заготовки в производстве (при рi=0 i-я заготовка может не изготавливаться, при рi=a обязательно получение а заготовок длины Lзагi). Приоритет заготовки назначается технологом в зависимости от назначения детали. Уже при малых значениях n решение задачи (2) путем полного перебора оказывается неприемлемым, поскольку число действий составляет m порядка  int( L МАТ i 1 / LЗАГ ) . К тому же в реальных производственных услови- ях использование деловых отходов (например, отходов на некратность) в качестве исходных материалов приводит к наличию на складе материалов разной длины LМАТ1  LМАТ M , где M - число размеров материалов. 67 Начало 1 L RM  1 м ат 2 L 3 з аг m  0? k  in t ( L 5 Да 6 n k? 7 8 k  n Да 1 Нет Конец Да 4 Да RB  м ат / L з а г) k  0? 1 Нет Нет 1 L м ат  L n n k 9 м ат  k  L з аг 10 D E L R n  0? B  Нет Рис. 43 - Блок-схема алгоритма оптимального раскроя. Представим имеющийся набор материалов в виде отношения RM: RM LМАТ , I   ( 24) 68 где домен Lмат содержит длину материала, а домен I - тот или иной идентификатор материала (инвентарный номер, код, адрес складской ячейки и т.д.) Домен Lмат является ключевым - по нему производится упорядочивание отношения RМ. Число кортежей в отношении RM равно М. Требуемый производственной программой набор заготовок представим в виде отношения RB: (25) RB LЗАГ , n   где домен Lзаг содержит длину заготовки, а домен n - программу выпуска данной заготовки. Число кортежей в отношении RB равно m. Из (1) следует, что минимизировать Wнк можно либо уменьшением Lмат, либо увеличением Lзаг и ni. Иными словами, должно соблюдаться правило: “делаем максимально возможное число самых длинных заготовок из самого короткого материала”. Тогда можно предложить универсальную методику оптимального раскроя длинномерного проката, блок-схема которой показана на Рис. 43 . В блоках 1 и 2 выполняется динамическое упорядочивание отношений RM и RB. Блок 3 проверяет условие прекращения работы - равенство нулю числа кортежей m в отношении RB. В блоке 4 рассчитывается число k заготовок наибольшей длины, которые можно изготовить из материала наименьшей длины. Если длина самой длинной заготовки превышает длину самого короткого материала (блок 5), следует взять следующий по возрастанию длины материал. Если ни один из материалов не подходит, кортеж исключается из рассмотрения и помечается как заготовка, разместить которую не удалось. Далее проверяется, не превышает ли значение k заданной программы выпуска текущей заготовки и при необходимости k уменьшается до n (блоки 6 и 8). В блоке 7 вносятся изменения в отношения RM и RB: длина материала заменяется текущим отходом на некратность, а программа выпуска детали уменьшается на число размещенных заготовок. Если все заготовки данной длины размещены (блок 9), то кортеж исключается из отношения RB (блок 10). При реализации методики была предусмотрена система сохранения технологической информации в виде отношения, содержащего идентификаторы материалов и списки заготовок, изготавливаемых из каждого материала, а также другие параметры (отход на некратность, коэффициент использования материала и т.д.) Поскольку операции динамического упорядочивания выполняются исключительно эффективным методом двоичного поиска, среднее число действий составляет примерно mM, а не m!M, как в случае полного перебора. Табл. 5 - Результаты оценки эффективности алгоритма. Число размеров Число размеров Средний отход на Время работы заготовок материалов некратность, % 10 17 3,81 2,46 20 42 1,71 13,0 50 74 1,4 79,8 100 232 0,99 1246,8 69 t 1400 1200 1000 800 600 400 200 170 Мm, шт 840 3700 23200 Рис. 44- Диаграмма эффективности работы методики оптимизации. Оптимизация двумерного раскроя. Рассмотрим теперь возможные способы решения задачи оптимизации раскроя листовых материалов. Перебор всего множества вариантов раскроя, для реальных заданий не представляется возможным из за очень большого количества вариантов. Один из возможных способов – так называемый алгоритм «уступок», разработанный А. Бабченко. Получаемый с помощью этого алгоритма результат является субоптимальным (т.е. либо оптимальными, либо близкими к нему). Глубину перебора, а, значит, и время работы алгоритма можно контролировать. Алгоритм «уступок» можно описать как последовательность действий: 1 шаг. Детали в задании упорядочиваются по убыванию размеров. 2 шаг. Начинается перебор вариантов очередной карты раскроя, при этом в первом варианте присутствуют детали из начала списка (т.е. большие, а значит потенциально менее удобные), в следующих вариантах большие детали вытесняются более мелкими; перебор осуществляется до того момента, пока не будет достигнута текущая уступка, либо будет просмотрено заданное количество вариантов. 3 шаг. Выбирается лучший из полученных вариантов очередной карты раскроя. 4 шаг. Детали, входящие в выбранный вариант, удаляются из задания. 5 шаг. Если в задании остались детали, повторяем все, начиная с шага 2. Уступка является наиболее значимым параметром алгоритма. Маленькая уступка может привести к тому, что в первых картах раскроя будут использованы все мелкие детали, а оставшиеся большие будет невозможно разместить на карте так, чтобы отход был приемлемым. Большая уступка не обеспечит достаточной глубины перебора, значит, и полученный результат будет далек от оптимального. Для разных заданий наиболее подходящая уступка будет разной. 70 При больших объемах производства существенными оказывается затраты на перенастройку оборудования, на котором осуществляется раскрой. В таких случаях бывает предпочтительнее получить менее оптимальный результат, при условии что количество разных карт раскроя (а значит и затрат на перенастройку) будет меньше. Тогда меняется цель оптимизации – либо получить минимальный отход, либо минимальное количество карт. 8.2. Генетические алгоритмы В 1975г. Д.Х. Холланд предложил схему генетического алгоритма, который оказался очень удобен в решении задач раскроя. Генетические алгоритмы (ГА) представляют собой методы оптимизации, основанные на концепциях естественного отбора и генетики. В этом подходе, переменные представлены как гены на хромосоме. ГА показывают группу вариантов решения (популяции) на поверхности ответа. Через естественный отбор и генетические операторы, мутацию и рекомбинацию, отбираются хромосомы с лучшей пригодностью. Естественный отбор гарантирует, что хромосомы с лучшей пригодностью будут размножаться в будущих популяциях. Используя оператор рекомбинации, ГА объединяет гены родительских хромосом, чтобы сформировать новые хромосомы (детей), которые имеют высокую вероятность наличия лучшей пригодности, чем у их родителей. Мутация позволяет исследовать новые области поверхности. Идею ГА подсказала сама природа и работы Дарвина. Делается предположение, что, если взять 2 вполне хороших решения задачи и каким-либо образом получить из них новое решение, то будет высокая вероятность того, что новое решение получится хорошим или даже более лучшим. Для реализации этого используют моделирование эволюции (естественного отбора) или если проще - борьбы за выживание. В природе, по упрощенной схеме, каждое животное стремится выжить, чтобы оставить после себя как можно больше потомства. Выжить в таких условиях могут лишь сильнейшие. 71 Рис. 45 - Формирование последовательности размещений Тогда нам остается организовать некоторую среду - популяцию, населить её решениями - особями, и устроить им борьбу. Для этого нужно определить функцию, по которой будет определяться сила особи - качество предложенного ею решения. Основываясь на этом параметре можно определить каждой особи количество оставляемых ею потомков, или вероятность того, 72 что эта особь оставит потомка. Причем, не исключен вариант, когда особь со слишком низким значением этого параметра умрёт. Допустим, нам нужно оптимизировать некоторую функцию F(X1,X2,..,Xn). В задачах раскроя очевидно, такая функция вычисляет КИМ. Мы ищем её глобальный максимум. Тогда, для реализации ГА нам нужно придумать, как мы будем хранить решения. По сути, нам нужно поместить все X1-Xn в некоторый вектор, который будет играть роль хромосомы. Один из наиболее распространенных способов - кодировать значения переменных в битовом векторе. Hапример, выделим каждому иксу по 8 бит. Тогда наш вектор будет длины L=8*n. Для простоты будем считать, что биты лежат в массиве X[0..L-1]. Пусть каждая особь состоит из массива X и значения функции F на переменных, извлеченных из этого массива. Тогда ГА будет состоять из следующих шагов: 1. Генерация начальной популяции - заполнение популяции особями, в которых элементы массива X (биты) заполнены случайным образом. 2. Выбор родительской пары - элитный отбор, то есть берем K особей с максимальными значениями функции F и составляем из них все возможные пары (K*(K-1)/2). 3. Кроссинговер - берем случайную точку t на массиве X(0..L-1). Теперь, все элементы массива с индексами 0-t новой особи (потомка) заполняем элементами с теми же индексами, но из массива X первой родительской особи. Остальные элементы заполняются из массива второй родительской особи. Для второго потомка делается наоборот - элементы 0-t берут от второго потомка, а остальные - от первого. 4. Новые особи с некоторой вероятностью мутируют - инвертируется случайный бит массива X этой особи. Вероятность мутации обычно полагают порядка 1%. 5. Полученные особи-потомки добавляются в популяцию после переоценки. Обычно новую особь добавляют взамен самой плохой старой особи, при условии что значение функции на новой особи выше значения функции на старой плохой особи. 6. Если самое лучшее решение в популяции нас не удовлетворяет, то переход на шаг 2. Хотя, чаще всего этого условия нет, а итерации ГА выполняются бесконечно. Преимущества генетических алгоритмов:  они не требуют никакой информации о поверхности ответа;  разрывы, существующие на поверхности ответа имеют незначительный эффект на полную эффективность оптимизации;  они стойки к попаданию в локальные оптимумы;  они хорошо работают при решении крупномасштабных проблем оптимизации;  могут быть использованы для широкого класса задач;  просты и прозрачны в реализации; 73  могут быть использованы в задачах с изменяющейся средой. Нежелательно и проблематично использовать ГА:  в случае, когда необходимо найти точный глобальный оптимум;  если время исполнения функции оценки велико;  если необходимо найти все решения задачи, а не одно из них;  если конфигурация является не простой (кодирование решения). 9. SCADA – СИСТЕМЫ 9.1. Основные понятия Современная автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) представляет собой многоуровневую человекомашинную систему управления. Создание АСУ сложными технологическими процессами осуществляется с использованием автоматических информационных систем сбора данных и вычислительных комплексов, которые постоянно совершенствуются по мере эволюции технических средств и программного обеспечения. На первом этапе создания АСУ внедрялись системы автоматического регулирования (САР). Объектами управления на этом этапе были отдельные параметры, установки, агрегаты; решение задач стабилизации, программного управления, слежения переходит от человека к САР. У человека появляются функции расчета задания и параметры настройки регуляторов. Второй этап - автоматизация технологических процессов. Объектом управления становится рассредоточенная в пространстве система; с помощью систем автоматического управления (САУ) реализуются все более сложные законы управления, решаются задачи оптимального и адаптивного управления, проводится идентификация объекта и состояний системы. Характерной особенностью этого этапа является внедрение систем телемеханики в управление технологическими процессами. Человек все больше отдаляется от объекта управления, между объектом и диспетчером выстраивается целый ряд измерительных систем, исполнительных механизмов, средств телемеханики, мнемосхем и других средств отображения информации (СОИ). Третий этап - автоматизированные системы управления технологическими процессами - характеризуется внедрением в управление технологическими процессами вычислительной техники. Вначале - применение микропроцессоров, использование на отдельных фазах управления вычислительных систем; затем активное развитие человеко-машинных систем управления, инженерной психологии, методов и моделей исследования операций и, наконец, диспетчерское управление на основе использования автоматических информационных систем сбора данных и современных вычислительных комплексов. От этапа к этапу менялись и функции человека (оператора/диспетчера), призванного обеспечить регламентное функционирование технологического процесса. Расширяется круг задач, решаемых на уровне управления; ограни- 74 ченный прямой необходимостью управления технологическим процессом набор задач пополняется качественно новыми задачами, ранее имеющими вспомогательный характер или относящиеся к другому уровню управления. Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления технологическими процессами получает информацию с монитора ЭВМ или с электронной системы отображения информации и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов. Основой, необходимым условием эффективной реализации диспетчерского управления, имеющего ярко выраженный динамический характер, становится работа с информацией, т. е. процессы сбора, передачи, обработки, отображения, представления информации. От диспетчера уже требуется не только профессиональное знание технологического процесса, основ управления им, но и опыт работы в информационных системах, умение принимать решение (в диалоге с ЭВМ) в нештатных и аварийных ситуациях и многое другое. Диспетчер становится главным действующим лицом в управлении технологическим процессом. Говоря о диспетчерском управлении, нельзя не затронуть проблему технологического риска. Технологические процессы в энергетике, нефтегазовой и ряде других отраслей промышленности являются потенциально опасными и при возникновении аварий приводят к человеческим жертвам, а также к значительному материальному и экологическому ущербу. Статистика говорит, что за тридцать лет число учтенных аварий удваивается примерно каждые десять лет. В основе любой аварии за исключением стихийных бедствий лежит ошибка человека. В результате анализа большинства аварий и происшествий на всех видах транспорта, в промышленности и энергетике были получены интересные данные. В 60-х годах ошибка человека была первоначальной причиной аварий лишь в 20% случаев, тогда как к концу 80-х доля "человеческого фактора" стала приближаться к 80%. Одна из причин этой тенденции - старый традиционный подход к построению сложных систем управления, т. е. ориентация на применение новейших технических и технологических достижений и недооценка необходимости построения эффективного человеко - машинного интерфейса, ориентированного на человека (диспетчера). Таким образом, требование повышения надежности систем диспетчерского управления является одной из предпосылок появления нового подхода при разработке таких систем: ориентация на оператора/диспетчера и его задачи. Концепция SCАDA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) предопределена всем ходом развития систем управления и результатами научно-технического прогресса. Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в 75 решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации. Дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI), предоставляемого SCADA - системами, полнота и наглядность представляемой на экране информации, доступность "рычагов" управления, удобство пользования подсказками и справочной системой и т. д. - повышает эффективность взаимодействия диспетчера с системой и сводит к нулю его критические ошибки при управлении. Следует отметить, что концепция SCADA, основу которой составляет автоматизированная разработка систем управления, позволяет решить еще ряд задач, долгое время считавшихся неразрешимыми: сократить сроки разработки проектов по автоматизации и прямые финансовые затраты на их разработку. В настоящее время SCADA является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами). Управление технологическими процессами на основе систем SCADA стало осуществляться в передовых западных странах в 80-е годы. Область применения охватывает сложные объекты электро- и водоснабжения, химические, нефтехимические и нефтеперерабатывающие производства, железнодорожный транспорт, транспорт нефти и газа и др. В России диспетчерское управление технологическими процессами опиралось, главным образом, на опыт оперативно-диспетчерского персонала. Поэтому переход к управлению на основе SCADA-систем стал осуществляться несколько позднее. К трудностям освоения в России новой информационной технологии, какой являются SCADA-системы, относится как отсутствие эксплуатационного опыта, так и недостаток информации о различных SCADA-системах. В мире насчитывается не один десяток компаний, активно занимающихся разработкой и внедрением SCADA-систем. Каждая SCADAсистема - это "know-how" компании и поэтому данные о той или иной системе не столь обширны. Большое значение при внедрении современных систем диспетчерского управления имеет решение следующих задач: • выбора SCADA-системы (исходя из требований и особенностей технологического процесса); • кадрового сопровождения. Выбор SCADA-системы представляет собой достаточно трудную задачу, аналогичную принятию решений в условиях многокритериальности, усложненную невозможностью количественной оценки ряда критериев из-за недостатка информации. Подготовка специалистов по разработке и эксплуатации систем управления на базе программного обеспечения SCADA осуществляется на специализированных курсах различных фирм, курсах повышения квалификации. В настоящее время в учебные планы ряда технических университетов начали вводиться дисциплины, связанные с изучением SCADA-систем. Однако спе- 76 циальная литература по SCADA-системам отсутствует; имеются лишь отдельные статьи и рекламные проспекты. 9.2. Компоненты систем контроля и управления и их назначение Многие проекты автоматизированных систем контроля и управления (СКУ) для большого спектра областей применения позволяют выделить обобщенную схему их реализации, представленную на Рис. 46. Рис. 46 - Обобщенная схема системы контроля и управления. Как правило, это двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно - аппаратной платформой. Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (PLC - Programming Logical Controller), которые могут выполнять следующие функции: - сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса; - управление электроприводами и другими исполнительными механизмами; 77 - решение задач автоматического логического управления и др. Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи. В качестве локальных PLC в системах контроля и управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры как отечественных производителей, так и зарубежных. На рынке представлены многие десятки и даже сотни типов контроллеров, способных обрабатывать от нескольких переменных до нескольких сот переменных. К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события. Для критичных с этой точки зрения объектов рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОСРВ). Контроллеры под управлением ОСРВ функционируют в режиме жесткого реального времени. Разработка, отладка и исполнение программ управления локальными контроллерами осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, широко представленного на рынке. К этому классу инструментального ПО относятся пакеты типа ISaGRAF (CJ International France), InConrol (Wonderware, USA), Paradym 31 (Intellution, USA), имеющие открытую архитектуру. Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня (см. рис.). В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, интеллектуальные или коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции. Некоторые из них перечислены ниже: - сбор данных с локальных контроллеров; - обработка данных, включая масштабирование; - поддержание единого времени в системе; - синхронизация работы подсистем; - организация архивов по выбранным параметрам; - обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем; - работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним уровнем; - резервирование каналов передачи данных и др. Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП) - включает, прежде всего, одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть размещен сервер базы данных, рабочие места (компьютеры) для специ- 78 алистов и т. д. Часто в качестве рабочих станций используются ПК различных конфигураций. Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи и призваны решать SCADA - системы. SCADА - это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникацию с внешним миром. Спектр функциональных возможностей определен самой ролью SCADA в системах управления и реализован практически во всех пакетах:  автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы автоматизации без реального программирования;  средства исполнения прикладных программ;  сбор первичной информации от устройств нижнего уровня;  обработка первичной информации;  регистрация алармов и исторических данных;  хранение информации с возможностью ее пост-обработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных);  визуализация информации в виде мнемосхем, графиков и т.п.;  возможность работы прикладной системы с наборами параметров, рассматриваемых как "единое целое". Рассматривая обобщенную структуру систем управления, следует ввести и еще одно понятие - Micro-SCADA. Micro-SCADA - это системы, реализующие стандартные (базовые) функции, присущие SCADA - системам верхнего уровня, но ориентированные на решение задач автоматизации в определенной отрасли (узкоспециализированные). В противоположность им SCADA - системы верхнего уровня являются универсальными. Все компоненты системы управления объединены между собой каналами связи. Обеспечение взаимодействия SCADA - систем с локальными контроллерами, контроллерами верхнего уровня, офисными и промышленными сетями возложено на так называемое коммуникационное ПО. Это достаточно широкий класс программного обеспечения, выбор которого для конкретной системы управления определяется многими факторами, в том числе и типом применяемых контроллеров, и используемой SCADA - системой. Большой объем информации, непрерывно поступающий с устройств ввода/вывода систем управления, предопределяет наличие в таких системах баз данных (БД). Основная задача баз данных - своевременно обеспечить пользователя всех уровней управления требуемой информацией. Но если на верхних уровнях АСУ эта задача решена с помощью традиционных БД, то этого не скажешь об уровне АСУ ТП. До недавнего времени регистрация информации в реальном времени решалась на базе ПО интеллектуальных контроллеров и SCADA - систем. В последнее время появились новые возможности по обеспечению высокоскоростного хранения информации в БД. 79 Приступая к разработке специализированного прикладного программного обеспечения (ППО) для создания системы контроля и управления, системный интегратор или конечный пользователь обычно выбирает один из следующих путей: - программирование с использованием "традиционных" средств (традиционные языки программирования, стандартные средства отладки и пр.); - использование существующих, готовых (COTS - Commercial Off The Shelf) инструментальных проблемно-ориентированных средств. Для большинства выбор уже очевиден. Процесс разработки ППО важно упростить, сократить временные и прямые финансовые затраты на разработку ППО, минимизировать затраты труда высококлассных программистов, по возможности привлекая к разработке специалистов-технологов в области автоматизируемых процессов. При такой постановке задачи второй путь может оказаться более предпочтительным. Для сложных распределенных систем процесс разработки собственного ППО с использованием "традиционных" средств может стать недопустимо длительным, а затраты на его разработку неоправданно высокими. Вариант с непосредственным программированием относительно привлекателен лишь для простых систем или небольших фрагментов большой системы, для которых нет стандартных решений (не написан, например, подходящий драйвер) или они не устраивают по тем или иным причинам в принципе. 9.3. Обзор современных SCADA-систем Программные продукты класса SCADA широко представлены на мировом рынке. Наиболее популярные из них приведены ниже:  InTouch (Wonderware) - США;  Citect (CI Technology) - Австралия;  FIX (Intellution ) - США;  Genesis (Iconics Co) - США;  Factory Link (United States Data Co) - США;  RealFlex (BJ Software Systems) - США;  Sitex (Jade Software) - Великобритания;  TraceMode (AdAstrA) - Россия;  Cimplicity (GE Fanuc) - США;  САРГОН (НВТ - Автоматика) - Россия. Рассмотрим технические характеристики программно-аппаратных платформ для SCADA-систем. В различных SCADA-системах вопрос выбора базовой программно-аппаратной платформы решен по разному. Например, в таких SCADA-системах, как RealFlex и Sitex, основу программной платформы принципиально составляет единственная операционная система реального времени QNX. Однако подавляющее большинство SCADA-систем реализовано на MS Windows платформах. 80 Одной из основных черт современного мира систем автоматизации является их высокая степень интеграции. В любой из них могут быть задействованы объекты управления, исполнительные механизмы, аппаратура, регистрирующая и обрабатывающая информацию, рабочие места операторов, серверы баз данных и т.д. Очевидно, что для эффективного функционирования в этой разнородной среде SCADA-система должна обеспечивать высокий уровень сетевого сервиса. Желательно, чтобы она поддерживала работу в стандартных сетевых средах (ARCNET, ETHERNET и т.д.) с использованием стандартных протоколов (NETBIOS, TCP/IP и др.), а также обеспечивала поддержку наиболее популярных сетевых стандартов из класса промышленных интерфейсов (PROFIBUS, CANBUS, LON, MODBUS и т.д.) Этим требованиям в той или иной степени удовлетворяют практически все рассматриваемые SCADA-системы, с тем только различием, что набор поддерживаемых сетевых интерфейсов, конечно же, разный. Большинство SCADA-систем имеют встроенные языки высокого уровня, VBasic-подобные языки, позволяющие генерировать адекватную реакцию на события, связанные с изменением значения переменной, с выполнением некоторого логического условия, с нажатием комбинации клавиш, а также с выполнением некоторого фрагмента с заданной частотой относительно всего приложения или отдельного окна. Одной из основных задач систем диспетчерского контроля и управления является обработка информации: сбор, оперативный анализ, хранение, сжатие, пересылка и т. д. Таким образом, в рамках создаваемой системы должна функционировать база данных. Практически все SCADA-системы, в частности, Genesis, InTouch, Citect, используют ANSI SQL синтаксис, который является независимым от типа базы данных. Таким образом, приложения виртуально изолированы, что позволяет менять базу данных без серьезного изменения самой прикладной задачи, создавать независимые программы для анализа информации, использовать уже наработанное программное обеспечение, ориентированное на обработку данных. Для специалиста-разработчика системы автоматизации, также как и для специалиста - "технолога", чье рабочее место создается, очень важен графический пользовательский интерфейс. Функционально графические интерфейсы SCADA-систем весьма похожи. В каждой из них существует графический объектно-ориентированный редактор с определенным набором анимационных функций. Используемая векторная графика дает возможность осуществлять широкий набор операций над выбранным объектом, а также быстро обновлять изображение на экране, используя средства анимации. Крайне важен также вопрос о поддержке в рассматриваемых системах стандартных функций GUI (Graphic Users Interface). Поскольку большинство рассматриваемых SCADA-систем работают под управлением Windows, это и определяет тип используемого GUI. Перед фирмами-разработчиками систем автоматизации часто встает вопрос о создании собственных (не предусмотренных в рамках систем SCADA) программных модулей и включение их в создаваемую систему ав- 81 томатизации. Поэтому вопрос об открытости системы является важной характеристикой SCADA-систем. Фактически открытость системы означает доступность спецификаций системных (в смысле SCADA) вызовов, реализующих тот или иной системный сервис. Это может быть и доступ к графическим функциям, функциям работы с базами данных и т.д. Современные SCADA-системы не ограничивают выбора аппаратуры нижнего уровня, так как предоставляют большой набор драйверов или серверов ввода-вывода и имеют хорошо развитые средства создания собственных программных модулей или драйверов новых устройств нижнего уровня. Сами драйверы разрабатываются с использованием стандартных языков программирования. Вопрос, однако, в том, достаточно ли только спецификаций доступа к ядру системы, поставляемых фирмой-разработчиком в штатном комплекте (система Trace Mode), или для создания драйверов необходимы специальные пакеты (системы FactoryLink, InTouch), или же, вообще, разработку драйвера нужно заказывать у фирмы-разработчика. 10. CALS-ТЕХНОЛОГИИ 10.1. Основные понятия CALS-технологий Термин CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support — непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла) означает совокупность принципов и технологий информационной поддержки жизненного цикла продукции на всех его стадиях. Используется также термин Product Lifecycle Management (PLM). Основой концепции CALS является повышение эффективности процессов жизненного цикла (ЖЦ) изделия за счет повышения эффективности управления информацией об изделии. Задачей CALS является преобразование ЖЦ изделия в высокоавтоматизированный процесс путем реструктуризации (реинжиниринга) входящих в него бизнес-процессов. Первая часть термина «CALS» (Continuous Acquisition) означает постоянное повышение эффективности (развитие) как самого изделия, так и процессов взаимодействия между поставщиком и потребителем изделия в течение его ЖЦ. Вторая часть термина «CALS» (Life cycle Support) обозначает путь такого развития: внедрение новых организационных методик разработки изделия, например, параллельного проектирования или междисциплинарных рабочих групп. Это приведет к увеличению инвестиций на этапах создания и модернизации изделия, но позволит более полно учесть потребности заказчика и условия эксплуатации, что, в свою очередь, приведет к снижению затрат на этапах эксплуатации и обслуживания изделия и, в конечном итоге, к сокращению затрат на весь ЖЦ изделия. 82 Рис. 47 – Базовые принципы CALS технологий. Можно выделить две основные проблемы, стоящие на пути повышения эффективности управления информацией. Во-первых, с увеличением сложности изделий и применением для их разработки современных компьютерных систем, значительно увеличивается объем данных об изделии. При этом прежние методы работы с данными уже не позволяют обеспечивать их точность, целостность и актуальность при сохранении приемлемых временных и материальных затрат. Во-вторых, увеличение количества участников проекта по разработке изделия (особенно в случае виртуального предприятия) приводит к возникновению серьезных проблем при обмене информацией между участниками из-за наличия между ними коммуникационных барьеров (например, из-за несовместимости компьютерных систем). Основное содержание концепции CALS, принципиально отличающее ее от других подходов, составляют инвариантные понятия, которые реализуются (полностью или частично) в течение жизненного цикла (ЖЦ) изделия. Эти инвариантные понятия условно делятся на три группы:  базовые принципы CALS;  базовые управленческие технологии;  базовые технологии управления данными. К числу первых относятся:  системная информационная поддержка ЖЦ изделия на основе использования интегрированной информационной среды (ИИС), обеспечивающая минимизацию затрат в ходе ЖЦ; 83  информационная интеграция за счет стандартизации информационного описания объектов управления;  разделение программ и данных на основе стандартизации структур данных и интерфейсов доступа к ним, ориентация на готовые коммерческие программно-технические решения (Commercial Of The Shelf - COTS), соответствующие требованиям стандартов;  безбумажное представление информации, использование электронно-цифровой подписи;  параллельный инжиниринг (Concurrent Engineering);  непрерывное совершенствование бизнес-процессов (Business Processes Reengineering). К числу вторых относятся технологии управления процессами, инвариантные по отношению к объекту (продукции):  управление проектами и заданиями (Project Management/Workflow Management);  управление ресурсами (Manufacturing Resource Planning);  управление качеством (Quality Management);  интегрированная логистическая поддержка (Integrated Logistic Support). К числу третьих относятся технологии управления данными об изделии, процессах, ресурсах и среде. 10.2. Единое информационное пространство Путь реализации концепции CALS содержится в стратегии CALS, предполагающей создание единого информационного пространства (ЕИП) для всех участников ЖЦ изделия (в том числе, эксплуатирующих организаций). ЕИП должно обладать следующими свойствами:  вся информация представлена в электронном виде;  ЕИП охватывает всю информацию, созданную об изделии;  ЕИП является единственным источником данных об изделии (прямой обмен данными между участниками ЖЦ исключен);  ЕИП строится только на основе международных, государственных и отраслевых информационных стандартов;  для создания ЕИП используются программно-аппаратные средства, уже имеющиеся у участников ЖЦ;  ЕИП постоянно развивается. Стратегия CALS предусматривает двухэтапный план создания ЕИП: 1. Автоматизация отдельных процессов (или этапов) ЖЦ изделия и представление данных на них в электронном виде; 2. Интеграция автоматизированных процессов и относящихся к ним данных, уже представленных в электронном виде, в рамках ЕИП. Основными преимуществами ЕИП являются:  обеспечение целостности данных; 84  возможность организации доступа к данным географически удаленных участников ЖЦ изделия;  отсутствие потерь данных при переходе между этапами ЖЦ изделия;  изменения данных доступны сразу всем участникам ЖЦ изделия;  повышение скорости поиска данных и доступа к ним по сравнению с бумажной документацией;  возможность использования различных компьютерных систем для работы с данными. ЕИП может быть создано для организационных структур разного уровня: от отдельного подразделения до виртуального предприятия или корпорации. При этом различается и эффект, получаемый от создания ЕИП (Табл. 6). Табл. 6 - Эффект от внедрения ЕИП Организационная Повышение эф- Повышение эф- Повышение эфструктура фективности фективности фективности обуправления про- управления дан- мена данными цессами ными внутри структуры Подразделение Среднее Высокое Низкое предприятия Отдельное пред- Высокое Высокое Среднее приятие Виртуальное Высокое Высокое Высокое предприятие (корпорация) Эксплуатирующая Среднее Высокое Среднее организация 10.3. Управление данными об изделии Среди CALS-технологий интеграции данных об изделии, ключевой является технология управления данными об изделии (Product Data Management). PDM-технология предназначена для управления всеми данными об изделии и информационными процессами ЖЦ изделия, создающими и использующими эти данные. Данные об изделии состоят из идентификационных данных (например, данных о составе или конфигурации изделия) и данных или документов, которые используются для описания изделия или процессов его проектирования, производства или эксплуатации (при этом все данные обязательно представлены в электронном виде). Управление информационными процессами ЖЦ представляет собой поддержку различных процедур, создающих и использующих данные об изделии (например, процедуры изменения изделия), т.е. фактически поддержку электронного документооборота, например, конструкторского документооборота. 85 Основной идеей PDM-технологии является повышение эффективности управления информацией за счет повышения доступности данных об изделии, требующихся для информационных процессов ЖЦ. Повышение доступности данных об изделии достигается за счет интеграции всех данных об изделии в логически единую модель. Существует много задач, которые можно решить за счет применения PDM-технологии, среди которых можно выделить наиболее распространенные:  создание ЕИП для всех участников ЖЦ изделия;  автоматизация управления конфигурацией изделия;  построение системы качества продукции согласно международным стандартам качества серии ISO 9000 (здесь PDM-технология играет роль вспомогательного средства);  создание электронного архива чертежей и прочей технической документации (наиболее простой способ применения PDM-технологии). Для реализации PDM-технологии существуют специализированные программные средства, называемые PDM-системами (т.е. системами управления данными об изделии; другое название – системы управления проектами). PDM-система должна контролировать все связанные с изделием информационные процессы (в первую очередь, проектирование изделия) и всю информацию об изделии, включая: состав и структуру изделия, геометрические данные, чертежи, планы проектирования и производства, нормативные документы, программы для станков с ЧПУ, результаты анализа, корреспонденцию, данные о партиях изделия и отдельных экземплярах изделия и многое другое. При создании ЕИП для всех участников ЖЦ изделия, PDM-система выступает в качестве средства интеграции всего множества используемых прикладных компьютерных систем (САПР, АСУП и т.п.) путем аккумулирования поступающих от них данных в логически единую модель на основе стандартных интерфейсов взаимодействия (Рис. 48). Рис. 48 – Структура PDM-системы. Пользователями PDM-системы выступают все сотрудники всех предприятий-участников ЖЦ изделия: конструкторы, технологи, работники технического архива, а также сотрудники, работающие в других предметных об- 86 ластях: сбыт, маркетинг, снабжение, финансы, сервис, эксплуатация и т.п. Главной задачей PDM-системы является предоставление соответствующему сотруднику нужной ему информации в нужное время в удобной форме (в соответствии с правами доступа). Все функции полноценной PDM-системы можно четко разделить на несколько групп: 1. Управление хранением данных и документов. Все данные и документы в PDM-системе хранятся в специальной подсистеме – хранилище данных, которая обеспечивает их целостность, организует доступ к ним в соответствии с правами доступа и позволяет осуществлять поиск данных разными способами. При этом документы, хранящиеся в системе, являются электронными документами, т.е., например, обладают электронной подписью. 2. Управление процессами. PDM-система выступает в качестве рабочей среды пользователей и отслеживает все их действия, в т.ч. следит за версиями создаваемых ими данных. Кроме того, PDMсистема управляет потоком работ (например, в процессе проектирования изделия) и занимается протоколированием действий пользователей и изменений данных. 3. Управление составом изделия. PDM-система содержит информацию о составе изделия, его исполнениях и конфигурациях. Важной особенностью является наличие нескольких представлений состава изделия для различных предметных областей (конструкторский состав, технологический состав, маркетинговый состав и т.д.), а также управление применяемостью компонентов изделия. 4. Классификация. PDM-система позволяет производить распределение изделий и документов в соответствии с различными классификаторами. Это может быть использовано при автоматизации поиска изделий с нужными характеристиками с целью их повторного использования или для автоматизации присваивания обозначений компонентов изделия. 5. Календарное планирование. PDM-система содержит функции формирования календарного плана работ, распределения ресурсов по отдельным задачам и контроля выполнения задач со стороны руководства. 6. Вспомогательные функции, обеспечивающие взаимодействие PDM-системы с другими программными средствами, с пользователями, а также взаимодействие пользователей друг с другом. Основной выгодой от использования на предприятии PDM-системы является сокращение времени разработки изделия, т.е. сокращение времени выхода изделия на рынок и повышение качества изделия. Сокращение времени выхода на рынок достигается в первую очередь за счет повышения эффективности процесса проектирования изделия, которое характеризуется четырьмя аспектами: 87 1. Избавление конструктора от непроизводительных затрат времени, связанных с поиском, копированием и архивированием данных, что, при работе с бумажными данными, составляет 25-30% его времени; 2. улучшение взаимодействия между конструкторами, технологами и другими участниками ЖЦ изделия за счет поддержки методики параллельного проектирования, что приводит к сокращению количества изменений изделия; 3. значительное сокращение срока проведения изменения конструкции изделия или технологии его производства за счет улучшения контроля за потоком работ в проекте; 4. резкое увеличение доли заимствованных или слегка измененных компонентов в изделии (до 80%) за счет предоставления возможности поиска компонента с необходимыми характеристиками. 10.4. Концепция PLM В 90-х годах XX века была разработана концепция PLM. К этому времени многие корпорации прошли большой путь автоматизации своей жизнедеятельности и достигли значительных успехов в отдельных направлениях. Но, вместе с тем, стало очевидно, что просто сумма отдельных информационных технологий уже не даёт конкурентных преимуществ, не позволяет повышать эффективность работы, а самое главное - не позволяет удовлетворить требования заказчиков и потребителей. В первую очередь это коснулось корпораций выпускающих высокотехнологичную продукцию оборонного и стратегического назначения. Оборонная, авиакосмическая, судостроительная, приборостроительная, энергомашиностроительная и даже автомобильная, как и ряд других отраслей промышленности обнаружили, что удовлетворить требованиям CALS -технологий (или их идеологических эквивалентов в других отраслях), непрерывно не отслеживая эволюцию информации связанной с изделием, очень сложно и дорого. 88 Рис. 49 – Структура PLМ-системы. PLM (Product Lifecycle Management) – это идеология непрерывного управления данными изделия на протяжении всего жизненного цикла - от идеи до утилизации. Для этого должно быть обеспечено синхронное функционирование всех информационных систем предприятия. Это и CAD/CAM и PDM, и ERP, и CRM, и SCM, и ещё ряд других, при этом PLM ни в коей мере их не вытесняет и не заменяет. ERP, как и прежде, отвечает за управление ресурсами, СRМ - за взаимоотношения с потребителями, SСМ - с поставщиками, CAD/CAM/CAE обеспечивает проектирование изделия и оснастки, в PDM собирается вся техническая информация об изделии, из которой другие системы получают, и в которую возвращают необходимые данные. Концепция PLM не просто охватывает функциональные области, покрываемые решениями СRМ, SСМ, ЕRР, но требует глубокой интеграции этих систем с процессом проектирования через управление составом изделия, поскольку именно на этой основе производится выбор поставщиков, управление себестоимостью, совместное планирование поставок комплектующих и сборочного производства с целью обеспечения сроков поставки при минимизации складских запасов, а также управление обслуживанием с учетом данных по реальной эксплуатации каждого изделия. PLM не является догмой - это идеология, а не набор программных продуктов или бизнес-процессов. Для каждого предприятия существует своё оптимальное воплощение PLM. Вместе с тем эти воплощения для взаимодействующих предприятий должны включать в себя не только системы отдельных пред- 89 приятий, но, в первую очередь, - систему управления бизнес-процессами взаимодействия участников на едином информационном пространстве, доступ к которому обуславливается потребностями участников при непременном соблюдении требований безопасности. 11. СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА Обеспечение качества продукции – наиважнейшая задача промышленности. Качество – сложное и многогранное понятие, которое развивалось на протяжении длительного времени. Именно поэтому необходимо сначала хотя бы кратко остановиться на истоках и основных этапах развития управления качеством (англ. quality management) и производственного менеджмента. Управление (англ. management) как самостоятельное и научное направление начало оформляться только в XIX веке и было признано лишь в начале XX века. Некоторые ученые считают основоположниками научного управления четырех англичан, работавших в первой половине XIX века: Дж. Уотга, М. Бультона, Р. Оуэна и проф. Ч. Беббеджа. Считается, что начало управлению как науке было положено в 1886 г., когда бизнесмен Г. Таун выступил на собрании американского общества инженеров-механиков с докладом "Инженер как экономист". Этот доклад произвел большое впечатление на Фредерика Тейлора (Рис. 50), который работал в США инженером и энергично боролся с нерациональными трудозатратами, против работы "с прохладцей". Рис. 50 – Д-р Фредерик Тейлор. Впоследствии он стал крупным изобретателем, получил свыше 100 патентов, в том числе на метод контроля точности размера отверстий с помощью калибров. Ф. Тейлор активно пропагандировал "научное управление", писал статьи, преподавал в университете, написал две книги: "Цеховой менеджмент" и "Принципы и методы научного менеджмента". Основное внимание он сосредотачивал на цеховом уровне управления, на совершенствова- 90 нии приемов ручного труда. Лучшим способом управления он считал не просто принцип "инициатива - поощрение", а единство четырех принципов:  выработка научных основ производства;  научный подбор рабочих;  научное обучение и тренировка рабочих;  тесное дружественное сотрудничество между администрацией и рабочими. При этом он обращал особое внимание на хронометраж, рационализацию приемов ручного труда, систему точных заданий (идею урока), стандартизацию орудий и инструмента и введение инструкционных карточек для рабочих. Параллельно с Тейлором науку об управлении развивал француз Анри Файоль (1841—1925), который на основе собственного опыта разработал теорию администрации и написал книгу "Общее и промышленное управление". В ней он изложил общие принципы административного управления предприятием. Он рассматривал предприятие как совокупность материального и социального организмов. Сейчас мы можем говорить уже не о двух, а о трех основных факторах производства, которыми являются материальная база, административный и человеческий фактор. Для организации управления предприятием А. Файоль предлагал разрабатывать различные структурные схемы, с помощью которых можно было конструировать социальный организм предприятия. Суть его административной теории составляют 14 принципов, в том числе разделение труда, власть, дисциплина, единоначалие, централизация, вознаграждение, справедливость, инициатива и другие. Эффективность своей теории Файоль доказал на практике, когда, руководя фирмой, превратил ее из банкрота в процветающее предприятие. В этот же период работал и американец Гаррингтон Эмерсон (1853— 1931). Он серьезно занимался совершенствованием управления, благодаря чему пришел к ключевому понятию своей концепции — эффективности. В 1912 г. он опубликовал книгу "Двенадцать принципов производительности", среди которых отмечал точно поставленные цели, справедливое отношение к персоналу, диспетчирование, нормализацию условий, вознаграждение за производительность. Как отмечал Эмерсон, все эти принципы вдохновляются идеалом устранения потерь, приводящих к расточительству. Его ключевая идея заключалась в том, что эффективность производства должна достигаться не за счет перенапряжения сил исполнителей, а за счет рациональной организации труда (системы), которая позволяет достичь того же результата, прикладывая минимальные усилия. Среди основоположников науки управления особое место занимает знаменитый Генри Форд (1863—1947, Рис. 51), основатель известной автомобильной компании. 91 Рис. 51 - Генри Форд (1863—1947). Снимок 1905г. Он применил стандартизацию и унификацию — важнейшие элементы в управлении качеством, организовал конвейерное производство, что дало возможность снизить цены и перейти к массовому производству автомобилей. При этом он уделял большое внимание охране труда и созданию нормальных условий работы. В результате он впервые организовал массовое производство автомобиля Ford T, который был выпущен в количестве свыше 20 млн. шт. 11.1. Принципы обеспечения качества и управления качеством Управление качеством - воздействие на производственный процесс с целью обеспечения требуемого качества продукции или услуги. Чтобы эффективно управлять качеством, мы должны ясно представлять себе, какова "технология" такого воздействия и от каких основных факторов зависит качество. Под качеством условимся понимать совокупность свойств и характеристик продукции. Эти свойства и характеристики могут быть самыми разнообразными как по уровню, так и по сочетанию. Обеспечение качества - процесс формирования необходимых свойств и характеристик продукции. Когда на предприятии обсуждаются проблемы качества, приводится множество самых разнообразных факторов, препятствующих решению этих проблем: качество проектирования, уровень технологии, качество покупных изделий и материалов, зарплата и квалификация работников, условия труда и так далее. Если попытаться выявить и перечислить все факторы, влияющие на качество, то окажется, что практически вся производственная деятельность предприятия и все то, что ее обеспечивает, прямо или косвенно, влияет на формирование качества Основными факторами качества служат технические, административные и человеческие факторы. Это отмечено и в международных стандартах ISO 9000. Другими словами, что для обеспечения качества требуется: 92 1 необходимая материальная база (покупные изделия и материалы, технологическое и испытательное оборудование, средства измерений, здания, сооружения, транспорт и т.д.); 2 квалифицированный персонал, заинтересованный в хорошей работе (человеческий фактор); 3 глубоко продуманная организационная структура и четкое управление предприятием в целом и управление качеством. Два из этих факторов — активный квалифицированный персонал и материальная база — определяют необходимую основу для выпуска высококачественной продукции. Поэтому эти факторы можно, по-видимому, считать фундаментом, базой качества. Третий необходимый фактор качества — организация и управление предприятием — дополняет этот фундамент, позволяет реализовать возможности, которые создаются материальной базой и человеческим фактором. Нельзя выпускать продукцию, имея только станки, материалы и людей. Нужно еще организовать работу, т.е. создать необходимые структуры и наладить управление (Рис. 52). Результат: продукция определенного качества Персонал УПРАВЛЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЕМ: Материальная база РАЗРАБОТКА СНАБЖЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВО КАЧЕСТВО ДРУГИЕ СФЕРЫ Рис. 52 - Схема обеспечения качества продукции Как показывает практика, первоочередным фактором, главным является человеческий фактор. Объясняется это тем очевидным соображением, что незаинтересованный работник не будет хорошо работать даже на новейшем оборудовании, а заинтересованный будет искать и использовать любые возможности для достижения качества. Увы, в экономике существует так называемый "порочный круг низкого качества". Существо этого порочного круга заключается в том, что изготови- 93 телю оборудования трудно обеспечить качество, имея плохие материалы, а поставщику материалов столь же сложно повысить их качество, если у него плохое оборудование. Для анализа проблем качества часто применяется диаграмма К. Исикавы, известная под названием "рыбий скелет" (Рис. 53) Рис. 53 - Причинно-следственная диаграмма На ней представлено четыре основных фактора, влияющих на качество продукции: человек, машина, материал и метод. Данная диаграмма более детально раскрывает схему, изображенную на Рис. 52. Фактор "метод" не очень сильно влияет на качество в масштабах предприятия, но его влияние резко усиливается при переходе к более мелким структурным единицам (цех, участок). 11.2. Статистические методы анализа качества Что же делать для повышения качества продукции? Можно воспользоваться проверенными статистическими методами. Статистические методы признаются важным условием управления качеством, а также средством повышения эффективности производственных процессов и качества продукции. Для решения проблем, связанных с качеством продукции, широко применяются семь традиционных статистических методов (так называемых "инструментов" качества): гистограммы, временные ряды, диаграммы Парето, причинно-следственные диаграммы, контрольные листки, контрольные карты, диаграммы рассеяния. Японский специалист по качеству профессор К. Исикава говорил: "Основываясь на опыте своей деятельности, могу сказать, что 99% всех проблем фирмы могут быть решены с помощью этих семи приемов". Области применения упомянутых "инструментов" качества показаны на Рис. 54; там же приведены еще два приема, часто используем на начальной стадии работы: мозговая атака и схема процесса. 94 Рис. 54 - Область применения "инструментов" качества: 1 — выявление проблем; 2 — анализ проблем Рассмотрим суть указанных методов. Мозговая атака (brainstorm) используется, чтобы помочь группе выработать наибольшее число идей по какой-либо проблеме в возможно короткое время, и может осуществляться двумя путями: 1) упорядоченно — каждый член группы подает идеи в порядке очередности по кругу или пропускает свою очередь до следующего раза. Таким способом можно побудить к разговору даже сам молчаливых людей, однако здесь присутствует некоторый элемент давления, что может помешать; 2) неупорядоченно — члены группы просто подают идеи по мере того, как они приходят на ум. Так создается более раскованная атмосферра, правда, есть опасность, что самые говорливые возьмут верх. Правила проведения мозговой атаки:  никогда не критиковать идей. Записывать на лист или доску каждую идею. Если слова видны всем, это помогает избежать неверного понимания и рождает новые идеи;  каждый должен согласиться с вопросом или повесткой дня предстоящей мозговой атаки;  заносить на доску или на лист слова выступающего буквально, не редактируя их;  делать все быстро, лучше всего проводить мозговую атаку за 1015 минут. Схема процесса (схема последовательности операции, маршрутная карта) применяется, когда требуется проследить фактические или подразуме- 95 ваемые стадии процесса, которые проходят изделие или услуга, чтобы можно было определить отклонения. Схема процесса представляет собой графическое изображение последовательных стадий процесса, дает отличное представление о его сути и может быть полезной для понимания того, как различные стадии процесса соотносятся друг с другом (Рис. 55). Стадия процесса Начало Решение Конец Рис. 55 - Схема процесса При изучении схем процессов можно часто обнаружить скрытые ловушки, которые служат потенциальными источниками помех и трудностей. Необходимо разработать две схемы: 1) стадий процесса, который действительно происходит; 2) стадий процесса, который должен протекать, если все будет работать правильно. Затем нужно сравнить две схемы, чтобы найти, чем они отличаются, и таки образом найти точку, в которой возникают проблемы. Дефекты Неверный: размер контур глубина вес + поверхность Всего: Март Итого 9 10 11 12 IIIII I I IIIII IIIII IIIII IIIII II 29 IIIII III I IIIII IIIII IIIII III III I IIIII IIIII II III 22 I 25 IIIII II II I IIIIII IIIII IIIII I 26 26 9 8 52 7 102 Рис. 56 - Контрольный листок Контрольный листок (таблица проверок) позволяет ответить на вопрос: "Как часто случается определенное событие?" (Рис. 56). С него начинается превращение мнений и предположений в факты. Построение контрольного листка включает в себя следующие шаги: 1) установить как можно точнее, какое событие будет наблюдать Каждый должен следить за одной и той же вещью; 96 2) договориться о периоде, в течение которого будут собираться данные. Он может колебаться от часов до недель; 3) построить форму, которая будет ясной и легкой для заполнения. В форме должны быть четко обозначены графы и колонки, должно быть достаточно места для внесения данных; 4) собирать данные постоянно и честно, ничего не искажая. Еще раз убедитесь, что назначенное вами время достаточно для выполнения задачи по сбору данных. Собранные данные должны быть однородными. Если это не так, необходимо в начале сгруппировать данные, а затем рассматривать их по отдельности. Рис. 57 - Временной ряд Временной ряд (линейный график) применяется, когда требуется самым простым способом представить ход изменения наблюдаемых данных за определенный период времени (Рис. 57). Временной ряд предназначен для наглядного представления данных, он очень прост в построении и использовании. Точки наносятся на график в том порядке, в каком они были собраны. Поскольку они обозначают изменение характеристики во времени, очень существенна последовательность данных. Опасность в использовании временного ряда заключается в тенденции считать важным любое изменение данных во времени. Временной ряд, как и другие виды графической техники, следует использовать, чтобы сосредоточить внимание на действительно существенных изменениях в системе. Одно из наиболее эффективных применений временного ряда заключается в выявлении существенных тенденций или изменений средней величины. Диаграмма Парето применяется, когда требуется представить относительную важность всех проблем или условий с целью выбора отправной точки для решения проблем, проследить за результатом или определить основную причину проблемы. Вильфредо Парето (1848-1923, Рис. 58) – итальянский математик и социолог, впервые предложивший использовать названные в его честь диаграммы. 97 Рис. 58 - Вильфредо Парето (1848-1923) Диаграмма Парето — это особая форма вертикального столбикового графика, которая помогает определить, какие имеются проблемы, и выбрать порядок их решения. Построение диаграммы Парето, основанное или на контрольных листках, или на других формах сбора данных, помогает привлечь внимание и усилия к действительно важным проблемам. Можно достичь большего, занимаясь самым высоким столбиком, •не уделяя внимание меньшим столбикам (Рис. 59). Рис. 59 - Диаграмма Парето Порядок построения диаграммы Парето: 1. Выберите проблемы, которые необходимо сравнить, и расположите их в порядке важности (путем мозговой атаки, используя существующие данные). 2. Определите критерий для сравнения единиц измерения 3. Наметьте период времени для изучения. 98 4. Сгруппируйте данные по категориям, сравните критерии каждой группы. 5. Перечислите категории слева направо на горизонтальной оси, порядке уменьшения значения критерия. В последний столбец включите категории, имеющие наименьшее значение. Причинно-следственная диаграмма (диаграмма Исикавы, "рыбий скелет") применяется, когда требуется исследовать и изобразить все возможные причины определенных проблем или условий. Причинно-следственная диаграмма была разработана, чтобы представить соотношения между следствием, результатом и всеми возможными причинами, влияющими на них. Следствие, результат или проблема обычно обозначаются на правой стороне схемы, а главные воздействия или "причины" перечисляются на левой стороне (Рис. 53). Порядок построения причинно-следственной диаграммы: 1. Начинайте процесс с описания выбранной проблемы, а именно чем ее особенности, где она возникает, когда проявляется и как далеко распространяется. 2. Перечислите причины, необходимые для построения причини следственной диаграммы одним из следующих способов: • проведите мозговую атаку, на которой обсудите все возможные причины без предварительной подготовки; • внимательно проследите все стадии производственного процесса и на контрольных листках укажите возможные причины возникающей проблемы; 3. Постройте действительную причинно-следственную диаграмму 4. Попытайтесь дать толкование всем взаимосвязям. Для того чтобы отыскать основные причины проблемы, ищите причины, которые повторяются. Гистограмма применяется, когда требуется исследовать и представить распределение данных о числе единиц в каждой категории с помощью столбикового графика. Как мы уже видели на диаграмме Парето, очень полезно представить в форме столбикового графика частоту, с которой появляется определенное событие (так называемое частотное распределение). Однако диаграмма Парето имеет дело только с характеристиками продукции или услуги: типами дефектов, проблемами, угрозой безопасности и т. п. Гистограмма, напротив, имеет дело с измеряемыми данными (температура, толщина) и их распределением. Типичная гистограмма представлена на Рис. 60. 99 Рис. 60 – Гистограмма качества. Некоторые процессы по своей природе искажены (несимметричны), поэтому не следует ожидать, что каждое распределение будет иметь форму колоколообразной кривой. Диаграмма рассеяния (разброса) применяется, когда требуется представить, что происходит с одной из переменных величин, если друг переменная изменяется, и проверить предположение о взаимосвязи двух переменных величин. Глядя на диаграмму рассеяния, нельзя утверждать, что одна переменная служит причиной для другой, однако диаграмма проясняет, существует ли связь между ними и какова сила этой связи. Рис. 61 - Диаграммы рассеяния: а – положительная взаимосвязь; б – нет взаимосвязи; в- отрицательная взаимосвязь. Диаграмма рассеяния строится в таком порядке: по горизонтально оси откладываются измерения величин одной переменной, а по вертикальной оси - другой переменной. Вид типичной диаграммы рассеяния представлен на Рис. 61. Контрольная карта применяется, когда требуется установить, сколько колебаний в процессе вызывается случайными изменениями и сколько обя- 100 заны чрезвычайным обстоятельствам или отдельным действиям, чтобы определить, поддается ли процесс статистическому регулированию. Контрольная карта представляет собой рассмотренный выше временной ряд со статистически определенными верхней и нижней границами, нанесенными по обе стороны от средней линии процесса Они называются "верхний контрольный предел" и "нижний контрольный предел" (Рис. 62). Рис. 62 – Контрольная карта. Эти пределы вычисляются по особым формулам с использованием отдельных замеров. При этом не принимается во внимание, как идет весь процесс после нанесения границ процесса на схему, чтобы "честно" определить, попадают ли точки между линиями пределов или они выходят за них и образуют "неестественные" выбросы. Если это происходит, то говорят, что процесс вышел из-под контроля. Отклонение точки внутри пределов происходит из-за изменений, присущих самому процессу (конструкции, выбора машины, профилактического обслуживания и т. п.). Повлиять на эти колебания можно только изменением самой системы. Верхний и нижний контрольные пределы должны быть вычислен статистически, не следует путать их с пределами технических характеристик, которые основаны на требованиях стандартов к изделиям . Таким образом, целями применения контрольных карт могут быть: • выявление неуправляемого процесса; • контроль за управляемым процессом; • оценивание возможностей процесса. 101 Рис. 63 - Анализ возможностей процесса Возможности процесса — это способность функционировать должным образом. Как правило, под возможностями процесса понимают способность удовлетворять техническим требованиям. Методы Тагучи. В конце 60-х годов японский специалист по статистике И. Тагучи завершил разработку идей математической статистики применительно к задачам планирования эксперимента и контроля качества. Совокупность своих идей Тагучи назвал "методом надежного проектирования". Тагучи предложил характеризовать производимые изделия устойчивостью технических характеристик. Он внес поправку в понятие случайного отклонения, утверждая, что существуют не случайности, а факторы, которые иногда трудно поддаются учету. Важное отличие методов Тагучи заключается в отношении к основополагающим характеристикам произведенной продукции — качеству и стоимости. Отдавая приоритет экономическому фактору (стоимости), он тем не менее увязывает стоимость и качество в одной характеристике, названной функцией потерь (loss function). При этом одновременно учитываются потери как со стороны потребителя, так и со стороны производителя. Задачей проектирования является удовлетворение обеих сторон. 11.3. Внедрение систем управления качеством* Применение вышеописанных методов анализа ситуации на предприятии неизбежно должно привести к внедрению и методов управления качеством. В то же время любое предприятие – система весьма инерционная, с заметной степенью сопротивления любым проводимым изменениям. * По материалам [15, с. 134-148]. 102 Сопротивление изменениям может быть открытое, подразумеваемое, непосредственное или отсроченное. Образец подразумеваемого сопротивления (так называемая "итальянская забастовка"): потеря лояльности к организации; потеря мотивации работать; увеличенные погрешности или ошибки, прогулы. Источники индивидуального сопротивления известны: прежние и навыки работы, уверенность в будущем, страх неизвестности, и так далее. Организационное сопротивление состоит в структурной инерции, групповой инерции, узком понимании изменений, боязни проверок, установившемся распределении полномочий, установившемся размещении кадров. Структурная инерция: Влияние механизма организации построенного так, чтобы уравновешивать изменения: процесс отбора, обучение и другие социальные технологии, формализм (процедуры рабочие инструкции, и т.п.), нормирование работы. Групповая инерция: Влияние устоев группы (формальных и прежде всего неформальных), которые могут действовать в качестве ограничений, даже если индивид хочет что-либо изменить. Угроза проверок: Изменения в организационной структуре могут угрожать проведением проверок в специализированных группах. Перераспределение полномочий: Введение совместного принятия решения или самоуправления в рабочих группах представляет собой разновидность изменения, которое часто рассматривают как угрозу руководителям низшего и среднего звена. Угроза изменения расстановки кадров: Если изменение будет означать уменьшение бюджета организационной подсистемы, или сокращение ее штата, то люди, работающие в этой подсистеме, будут рассматривать изменение в качестве угрозы. Человеческий аспект в организационных изменениях является фундаментальным, потому что именно поведение людей в организации руководящих, технических кадров, исполнителей - в конечном итоге определяет, что можно изменить, и какую это даст пользу. Теория изменений разработана социологом Куртом Левиным. Эта теория включает 3 последовательные стадии: "размораживание", "изменение" и "повторное замораживание". "Размораживание" подразумевает несколько тревожную ситуацию, так как считается, что для формирования потребности в новой информации требуется определенная доля беспокойства или недовольства. Поэтому для начала изменений в стабильной системе необходимо ее искусственно дестабилизировать. Для нестабильной системы, в особенности, если она нестабильна в течение долгого времени, необходимо преодолеть неверие сотрудников в возможность позитивных изменений. В любом случае самое главное на этой стадии - "размораживание" высшего руководства предприятия. "Изменение" - центральная стадия процесса, когда и руководство и сотрудники начинают практиковать новые отношения, методы работы и формы поведения. Эта стадия включает два этапа: 103 - идентификация, когда участники процесса испытывают предложенные нововведения; - интернализация или усвоение, когда происходит внутреннее принятие изменений участниками процесса, при этом происходит перевод общих целей и принципов нововведений в специфические личные цели и нормы. "Повторное замораживание" происходит, когда участники процесса изменений попробуют нововведения на опыте. Процессы, которые протекают на этой стадии, требуют благоприятной и поддерживающей среды (в частности, одобрения ответственного руководства). У подчиненных в этом случае, особенно когда осознаются достижения в решении поставленных задач, растет самоуважение. В конечном итоге приобретенные формы поведения сотрудников либо усиливаются и усваиваются, либо отвергаются. Отвержение может быть следствием ряда причин, среди которых важнейшими считаются: - боязнь ухудшения положения: мнение, что в результате преобразований могут ухудшиться условия труда, его оплата, доходы, загрузка, личная власть и т.д.; - отсутствие убежденности в необходимости изменений - если люди недостаточно информированы, а цель преобразований им недостаточно объяснена, они чаще всего рассматривают существующую ситуацию как удовлетворительную, а усилия изменить ее - как бесполезные и досадные - недовольство переменами, насаждаемыми сверху - обычно людям не нравится, когда с ними обращаются, как с пассивными объектами; они возмущаются изменениями, насаждаемыми сверху, относительно которых не могут высказать своего мнения; - недовольство неожиданностями - люди не хотят, чтобы их держали в неведении относительно подготавливаемых действий, возмущаются решениями руководства относительно важных перемен, если они принимаются неожиданно; - страх перед неизвестностью - обычно люди не любят жить в неопределенности и могут предпочесть несовершенное настоящее неизвестному и неопределенному будущему; - нежелание иметь дело с непопулярными проблемами - эта причина особенно касается руководителей организации, которые часто стараются оттянуть выполнение неприятных и непопулярных действия, даже понимая, что не смогут делать это вечно; - страх перед неспособностью выполнить что-либо и неудачей - многих людей волнует, смогут ли они приспособиться к изменениям, сохранить эффективность своей работы или даже ее повысить в новой ситуации; некоторые чувствуют себя неуверенно и сомневаются, смогут ли они сделать требуемые усилия и освоить новые навыки и умения; - нарушения установленного порядка, привычек и взаимоотношений ведь после организационных изменений привычный и хорошо отработанный порядок и навыки работы могут стать ненужными, а знакомые взаимоотно- 104 шения - трансформироваться или полностью разрушиться, что может привести к значительным разочарованиям. - отсутствие уважения к лицу, проводящему изменения - люди относятся с подозрением к переменам, проводимым руководителем, которому они не доверяют и не уважают, или внешним лицам, компетенция и мотивы поведения которых неизвестны или непонятны. Рис. 64 - Время проведения и уровень сложности изменений в организации Большинство из этих причин сопротивления проистекают из человеческой натуры, поэтому проведение коренных изменений, которые требуются при внедрении идей современного менеджмента качества - крайне сложный процесс. На Рис. 64 приведена диаграмма, показывающая время и уровень сложности при различных уровнях изменений. Таким образом, выделяются 4 уровня преобразований в организации. В среднем, уровень сложности и время проведения преобразований подчиняется "правилу счастливой семерки" - при переходе от уровня к уровню время, необходимое для проведения преобразований и их сложность возрастает в 7±2 раза. Выделяются три базовых принципа проведения изменений: - как правило, ожесточеннее всего сопротивляются переменам именно те, кто больше всего в них нуждаются; это касается как отдельных работников или руководителей, так и подразделений и организаций в целом; - часто сопротивление изменениям - симптом неверной технологии их осуществления; - пассивное неприятие изменений часто связано с прошлым опытом: люди, уже пережившие массу реорганизаций, которые не принесли пользы, становятся особенно подозрительными. 105 Отсюда вытекают семь правил проведения организационных изменений: 1. Правило "узких врат". Данное правило основывается на теории этапов идентификации и интернализации (усвоения) стадии изменений процесса, согласно которой изменения нужно производить, чтобы сотрудники переживали их, переходя от общего (идентификация) к частному (интернализация). Таким образом, персонал, затрагиваемый процессом изменений, должен вовлекаться в изменения как можно раньше, чтобы оба эти жизненно важных элемента процесса изменений были полностью охвачены. Рис. 65 - Изменение вариации применяемых методов при начальной свободе сотрудников Однако, при вовлечении сотрудника, в особенности квалифицированного, в процесс изменений очень важно учитывать, как он будет действовать при этом. По исследованиям специалистов, если в начальный момент такому сотруднику предоставить свободу в выборе методов его работы, а оптимальный метод действий ему будет предложен позже (например, методологическая инструкция), то даже при желании следовать этому оптимальному методу он будет в конечном итоге значительно отклоняться от предложенного метода, следуя собственному. Правда, вариация методов в конце процесса все-таки будет существенно меньше, чем в начале. 106 эффективность внедрения Если же такому сотруднику с самого начала предложить оптимальный метод действия или близкий к нему, вариация применяемых методов в конце процесса будет незначительной (Рис. 65). Часто это происходит в результате давления рабочей группы в сочетании с отсутствием возможности для выработки индивидуальных решений. В связи с этим можно сформулировать правило вовлечения сотрудников предприятия в процесс изменений, которое следует назвать правилом "узких врат": при вовлечении сотрудников в процесс изменений следует сразу же предоставить им методические материалы, пусть пока даже неофициальные, и потребовать их применения в обязательном порядке; только в этом случае вариация их действий будет незначительной. 2. Правило "подъема по лестнице". Исследования социологов показывают, что показатели эффективности и качества работы улучшаются быстрее, сильнее и на более долгий срок, если новые методы работы вводятся относительно быстро с последующими периодами стабильной работы по новым методам ("отдыха" от нововведений). время Рис. 66 - Сравнение эффективности непрерывного и "ступенчатого" внедрения Как видно из Рис. 66, при "ступенчатой" практике внедрения по сравнению с практикой непрерывного массированного внедрения, улучшения наступают быстрее, то есть кривая эффективности круче, и улучшения сохраняются дольше, то есть часть кривой затухания или спада более пологая. Правило "подъема по лестнице" можно сформулировать так: - новые методы работы следует вводить быстро, чередуя периоды интенсивного внедрения (несколько дней, в крайнем случае - недель) с периодами стабильной работы по новым методам ("площадками отдыха); 3. Правило повторения. Это правило тесно связано с предыдущими. При внедрении преобразований, как видно из Рис. 66, достигается макси- 107 мальное значение, которое называется "плато эффективности". После достижения "плато эффективности" эффективность нововведений может не только не повышаться, но часто даже снижается. Чтобы закрепить уровень, достигнутый на "плато эффективности", необходимо на этой стадии проводить обучение и тренировки сотрудников, закрепляя приобретенные навыки (с использованием правила "узких врат"). Поэтому можно сформулировать правило, известное как "правило повторения": при внедрении новых методов работы необходимо предусматривать соответствующее обучение и практические занятия (повторения). 4. Правило "предварительного прогрева". На приобретение новых знаний и навыков старые знания и навыки сотрудников могут влиять как положительно, так и отрицательно. Ломка старых привычек происходит на фазе "размораживания", когда сотрудники предприятия испытывают состояние беспокойства и активно ищут информацию, чтобы снизить этот уровень беспокойства. Если "разморозка" не удалась, сотрудники будут стараться интерпретировать новую информацию с точки зрения сохранения старых подходов. Поэтому правило гласит: - при проведении изменений необходимо доказать людям, что привычные им методы работы уже не пригодны для решения новых задач. Если же попытаться внедрять новые методы работы без предварительного разрушения установившегося порядка, существует серьезный риск отрицательного воздействия прежних знаний и навыков. 5. Правило "усталых, но довольных". Исходя как из теории, так и из практики менеджмента, желательно устанавливать цели немного выше, чем ожидаемый результат. При этом цели должны быть реалистичными, не будучи ни слишком легкими, ни невыполнимыми, но такими, чтобы при их достижении возникало чувство победы. Если у сотрудника, участвующего в изменениях, есть высокий уровень ожиданий в сочетании в сочетании с искренней уверенностью, часто эффективность и производительность его работы очень высоки. Этот эффект может становиться кумулятивным (т.е. накапливающимся) - повышение эффективности труда побуждает человека брать на себя новые обязанности, и, таким образом, создает для него новые возможности для роста и развития. Напротив, заниженные ожидания могут приводить к низкой эффективности работы, что, в свою очередь, может привести к потере доверия и развитию неверия и скептицизма в отношении нововведений. Поэтому данное правило может быть сформулировано так: при формулировке целей нововведений для сотрудников их следует устанавливать немного выше, чем ожидаемый результат; эти цели необходимо тщательно сформулировать (количественные показатели должны быть измеримыми, качественные - однозначно сформулированными, для временных определено начало и продолжительность). 6. Правило "счастливой семерки". Это правило связано с существенными различиями людей в их способности перерабатывать новую информацию и заниматься новым родом деятельности. Многие авторы писали, что существует некоторое максимальное число единиц информации, которое че- 108 ловек может воспринять и переработать за один раз. Г.В. Миллер приводит правило "счастливой семерки" (с поправкой на индивидуальные возможности, 7±2, то есть 5, 7 или 9), согласно которому: - при обучении, ограничивая входящую информацию нижним пределом этой шкалы (то есть пятью), преподаватель может избежать переутомления своей аудитории, хотя и рискует вызвать нетерпение среди наиболее одаренных слушателей; - при создании рабочей группы общая ее численность (включая руководителя) должна составлять 5, 7 или 9 человек; в этом случае группа работает наиболее эффективно; - при управлении число непосредственных подчиненных, с которыми в основном контактирует руководитель, должно быть 6+2 (7±2 с руководителем); конкретное число зависит от личных качеств руководителя; - для того чтобы в организации начались изменения, необходимо создать "критическую массу" сотрудников, содействующих этим изменениям (переобучить их, мотивировать, изменить их систему ценностей); величина "критической массы" составляет 1/(7±2) от общей численности работников в организации; - хорошо подготовленный документ, например, методологическая инструкция, должен содержать 7±2 важных положения или раздела; - желательно, чтобы выполняемая одним работником деятельность или процесс содержали бы 7±2 этапа или технологические операции, включая подготовительные и заключительные. Вероятно, возможны и другие применения этого важнейшего эмпирического правила, которое можно сформулировать так: на практике все, что так или иначе связано с коммуникацией между людьми или переработкой информации отдельным человеком, целесообразно разбивать на 7±2 компонента; если не спланировать такое разделение, оно может произойти самопроизвольно, причем, чем выше сложность коммуникаций или переработки информации, тем ближе к нижнему пределу должно быть число компонентов. 7. Правило "обратных связей". По-настоящему убедить сотрудников в эффективности нововведений способны не словесные доказательства, а дела. Поэтому руководитель должен регистрировать все факты повышения эффективности и качества работы, чтобы обосновывать эффективность нововведений. Поэтому данное правило может звучать так: успех нововведений во многом определяется эффективностью обратных связей между руководителями и исполнителями; своевременная информация об успехах необходима, чтобы делом убедить людей еще лучше работать; своевременная информация о неудачах позволяет их оперативно проанализировать и скорректировать процесс, что поможет по крайней мере не разочаровывать людей. Выполнение приведенных правил и рекомендаций, кроме обеспечения успеха в деятельности по созданию и развитию системы качества, поможет администрации правильно и эффективно распределить ответственность и полномочия персонала, связанного с обеспечением качества. 109 12. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОКУМЕНТАЦИИ КАЧЕСТВА КОНСТРУКТОРСКОЙ 12.1. Потребители конструкторской документации Качество продукции часто ассоциируется с готовой продукцией. Однако понятие продукта значительно шире. Продукт может быть четырех видов: овеществленный продукт, или готовая продукция; интеллектуальный продукт; продукт переработки; услуга. Важной составной частью качества изделия в целом является качество конструкторской документации. КД можно рассматривать как продукцию, создаваемую в результате интеллектуальной деятельности человека, на которую распространяются основные методы управления качеством. Ее потребителей можно подразделить на внешних (например, конструкторское бюро разрабатывает документацию для стороннего производителя) и внутренних (конструкторская служба предприятия выпускает КД для нужд самого предприятия). В производственных условиях чаще всего документация разрабатывается для внутреннего потребителя. Разработчик в соответствии с техническим заданием потребителя разрабатывает КД, которая должна быть выражена неким формальным языком, подразумевающим выполнение документации в соответствии с некоторым стандартом, например, ГОСТ, ISO, API и т.д. Потребителем КД может быть технолог, рабочий, потребитель изделия. Технологу, как потребителю КД, она необходима для разработки технологических процессов, нормирования и проектирования оснастки, рабочему – для изготовления изделия, а для потребителя изделия – для установки, наладки, обслуживания, ремонта и утилизации изделия. В частности, у КД имеются внешние и внутренние потребители. Внешним потребителем может быть как конечный потребитель изделия, использующий КД для установки, наладки, эксплуатации, ремонта и утилизации, так и производственный потребитель, занимающийся изготовлением изделий. В этом случае, как и для внутреннего потребителя, КД необходима прежде всего для разработки технологического процесса. Кроме того, в последнее время разрабатывается концепция такой формы организации предприятия, как виртуальная корпорация. В этом случае подразделения одного предприятия разнесены территориально и потребитель КД оказывается формально внутренним, а фактически – внешним. Состав потребителей КД и их функции изображены на Рис. . 110 ПОТРЕБИТЕЛИ КД внутренние внешние потребитель КД на производстве технолог рабочий разработка ТП, нормирование, проектирование оснастки изготовление изделия виртуальная корпорация конечный потребитель изделия установка, наладка, обслуживание, ремонт, утилизация формально внутренний потребитель, фактически внешний Рис. 67 – Потребители КД 12.2. Конструкторская как виртуальная модель изделия документация КД можно представить как виртуальную модель (ВМ) изделия. Она может существовать как в бумажном виде, так и в виде компьютерной трехмерной (3D) модели. На Рис. показаны способы применения ВМ в производстве при разных уровнях его интеграции. Способы применения ВМ в производстве зависят от уровня его интеграции. Как показано на Рис. , КД содержит несоответствия, которые передаются на дальнейшие этапы жизненного цикла изделия. Передаточным звеном между этапами жизненного цикла могут быть или CAM-системы, которые в целом не вносят новых несоответствий в процессе преобразования модели в управляющую программу для оборудования с ЧПУ, или персонал предприятия, который в силу человеческого фактора неизбежно вносит дополнительные несоответствия. Наконец, в обоих случаях погрешности будут добавлены технологическим оборудованием. Существуют различные подходы к определению понятия качества конструкторской документации. Их общей чертой является четкое разделение качества проектирования и качества изготовления. Это позволяет избежать коллизий вида "можно изготовить некачественную машину по качественному чертежу". 111 КД несоответствия Виртуальная модель несоответствия Преобразователь (CAM-система) управляющая программа Технологическое оборудование несоответствия а) КД несоответствия несоответствия Исполнитель Виртуальная модель несоответствия управление Технологическое оборудование несоответствия б) Рис. 68 – Схемы применения ВМ: а) в интегрированном производстве; б) в традиционном производстве. 12.3. Уровни конструкторской документации обеспечения качества Исследование этапов жизненного цикла КД позволило выявить уровни обеспечения качества КД и этапы его формирования (Рис. 69). Во-первых, существует уровень соответствия технического задания потребностям заказчика и нормативным документам. На следующем уровне происходит проверка соответствия замысла конструктора требуемым характеристикам проектируемого объекта. Данный уровень является творческим и трудноформализуемым, хотя создан ряд методик для упорядочения и повышения эффективности творческой деятельности конструктора (ТРИЗ, "мозговой штурм" и др.) 112 Соответствие технического задания потребностям заказчика и нормативным документам 1 Контроль технического задания Соответствие замысла конструктора требуемым характеристикам проектируемого объекта 2 Контроль технического предложения, эскизного и технического проектов Качество переноса замысла конструктора в виртуальную модель объекта 3 Технический, технологический, метрологический контроль Качество дескриптивных элементов виртуальной модели 4 Нормоконтроль Рис. 69 - Этапы формирования качества КД На первых двух уровнях обеспечение качества происходит на первом этапе, когда осуществляется контроль технического задания, эскизного и технического проектов. Далее следует рассматривать вопрос качества переноса замысла конструктора в виртуальную модель объекта. В процессе переноса есть вероятность внесения ошибок, вызванная человеческим фактором. Применение современных систем твердотельного трехмерного моделирования иногда вызывает обратный эффект: высокая трудоемкость построения отдельных элементов модели или недостаточная для этого квалификация пользователя приводит к сознательному ухудшению исходного варианта конструкции. Например, большая трудоемкость построения сложных поверхностей и аксонометрических проекций могут заставить конструктора отказаться от их изображения или упростить форму детали. В первом случае это затрудняет понимание проекта, во втором – снижает привлекательность изделия с точки зрения потребителя. В-четвертых, помимо геометрической модели для выражения замысла конструктора в КД присутствует большое количество дескриптивных (описательных) элементов – размеры, допуски, технические требования и пр. Их корректное, в соответствии со стандартом, обозначение оказывает большое влияние на сам процесс изготовления и качество конечной продукции. На последних рассмотренных двух уровнях обеспечение качества происходит на втором этапе его формирования, когда документация проходит все четыре предусмотренных вида контроля. Исходя из представленных уровней обеспечения качества, можно дать следующее общее определение понятия "качество конструкторской документации": степень соответствия виртуальной модели изделия требованиям, предъявляемым к проектируемому объекту. Предъявление требований к виртуальной модели заключается в численном моделировании ее параметров, например, прочностном расчете методом конечных элементов, кинематическом моделировании работы механизмов и т.д. Такое определение позволяет 113 разделить собственно несоответствия в КД и несоответствия, возникающие на более поздних этапах жизненного цикла проектного решения. 12.4. Виды контроля конструкторской документации Существует четыре основных вида контроля конструкторской документации: технический, технологический, метрологический и нормоконтроль. Задачей каждого из этих видов контроля является нахождение недостатков (Табл. 7) конструкторской документации и их устранение. Табл. 7 Вид контроля Проверяемые параметры технический форма и изображение на чертеже изделия и его составных частей; необходимое и достаточное число проставленных размеров и обозначений, правильность их расположения относительно базовых поверхностей; сопряжение размеров деталей со сборочным чертежом; проверка размерных цепей с учетом предельных отклонений и обеспечение взаимозаменяемости входящих в узел деталей; правильность выбора и обозначения на чертеже материала, а также его применяемость в соответствии с ограничительными стандартами; оптимальность назначения параметров шероховатости обрабатываемых поверхностей; содержание технических требований чертежа; соответствие позиций, указанных на чертеже, позициям в спецификации; правильность графики и четкость линий, возможность снятия с чертежа качественного подлинника электрографическим способом; правильность заполнения основной надписи чертежа и оформление ее необходимыми подписями должностных лиц. технологический соблюдение в разрабатываемых изделиях установленных технологических норм и требований с учетом современного развития данной отрасли техники и способов изготовления, эксплуатации и ремонта изделия; достижение в разрабатываемых изделиях заданных показателей технологичности; выявление наиболее рациональных способов изготовления изделий с учетом заданного объема выпуска. метрологический анализ и оценка технических решений по выбору параметров, подлежащих измерению, установлению норм точности и обеспечению методами и средствам измере- 114 Вид контроля нормоконтроль Проверяемые параметры ний процессов изготовления, испытаний и эксплуатации изделий. проверяет контролепригодность конструкции, правильность определений и обозначений физических величин и их единиц, оптимальность номенклатуры измеряемых параметров для обеспечения эффективности и достоверности контроля качества и взаимозаменяемости. правильность выполнения конструкторских документов в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД; достижение в разрабатываемых изделиях высокого уровня стандартизации и унификации на основе широкого использования ранее спроектированных, освоенных в производстве и стандартизованных изделий, типовых конструкторских решений и исполнений; рациональность использования установленных ограничительных номенклатур стандартизованных изделий, конструктивных норм, марок материалов, профилей и размеров проката и т.п. Перед сдачей документации в производство необходимо проанализировать эксплуатационные качества конструкции: работоспособность, прочность, надежность; обеспечение конструктивным исполнением безопасной эксплуатации (или применения по назначению); полноту содержащихся в конструкторском документе указаний и требований по выполнению противопожарных, санитарных норм, правил техники безопасности и органов государственного надзора, инструкций по обращению с рабочими средами и применению разрешенных к использованию в данных условиях эксплуатации материалов и их сочетаний и др. 115 12.5. Несоответствия в КД Анализ реальной КД показал, что несоответствия, относящиеся к несоблюдению стандартов, встречаются в два раза чаще, чем конструктивные (Рис. ). Примерами нормативных несоответствий в чертежах могут быть: не доведены линии (разрыв контура), разные масштабы видов без указания, отсутствует знак диаметра на размере, неправильно показано зацепление шестеренок, неверное изображение стандартной детали, отсутствует обозначение шлицев, разрезная гайка без разреза, отверстия под болты без резьбы, винт без резьбы и т.д. На Рис. 71 представлена гистограмма распределения выявленных несоответствий по группам. 450 400 350 300 250 200 150 100 50 Конструктивные ошибки Нормативные ошибки Рис. 70 – Виды несоответствий в КД 116 15,88 Количество, % 12,16 11,66 10,92 10,17 8,68 7,69 7,44 6,45 5,96 1,24 0,99 0,74 и и и а й й ие сь ба ды зы ры л е ск вк адк ни ч и ле ь и е е у о и з а о а В р п с х т т Л дп азм Ре аз Пр До де де ри По на По Р Р т р д я Ш об ан на т з в с И о сн бр о О Из ии ц зи Рис. 71 – Виды нормативных несоответствий в КД Полученные результаты исследования говорят о том, что необходима разработка средств информационной поддержки нормоконтроля и оперативной подготовки специалистов в виде автоматизированных рабочих мест (АРМ) конструктора и нормоконтролера. К функциям таких АРМ следует отнести: – АРМ конструктора: принудительная стандартизация в рамках используемой САПР, например, автоматизация простановки размеров, допусков, шероховатостей и пр. по стандарту (в большинстве САПР подобная стандартизация предусмотрена); – АРМ нормоконтролера: инструмент для оперативного контроля КД и ведения протокола несоответствий в условиях электронного документооборота с учетом возможной недостаточной квалификации и опыта пользователя. 12.6. Влияние 3D моделирования на качество КД Внедрение 3D моделирования – эффективное средство повышения качества КД. КД, выраженная в виде проекционных чертежей, неизбежно содержит неопределенности (Рис. 72). 117 Неопределенность 2D Неизвестность Прочностные расчеты Недостоверность Определение МЦХ детали Недоопределенность Интеграция с CAM Недостаточность Неполнота Взаимное распол. поверхностей Неадекватность Гарантия сущ-ния детали Физическая неопределенность Случайность Масса детали Неоднозначность Площадь поверхностей Лингвистическая неопределенность Неточность Проектирование корр. технол. оснастки Неоднозначность графического образа Кинематический анализ Рис. 72 – Неопределенности при 2D моделировании Переход к 3D моделированию принципиально устраняет значительную часть этих неопределенностей (устраняемые неопределенности показаны цветом). 118 13. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Автоматизация проектирования технологических процессов в машиностроении / В.С. Корсаков, Н.М. Капустин, К.-Х. Темпельгоф, Х. Лихтенберг; Под общ. Ред. Н.М. Капустина. - М.: Машиностроение, 1985. - 304с., ил. 2. Горанский Г.К., Кочуров В.А. и др. Автоматизированные системы технологической подготовки производства в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1976. 3. Диго С.М. Проектирование и использование баз данных. - М.: Финансы и статистика, 1995. - 208с.: ил. 4. Нормирование расхода материальных ресурсов в машиностроении: Справочник: В 2 т. / Г.М. Покараев, А.А. Зайцев, О.В. Карасев и др.; Под общ. Ред. Г. М . Покараева и др. - М.: Машиностроение, 1988. - 372с.: ил. 5. Соломенцев Ю.М. Конструкторско-технологическая информатика и автоматизация производства. - М.: "Станкин", 1992. - 127с. 6. Шпур Г., Краузе Ф.-Л. Автоматизированное проектирование в машиностроении: Пер. с нем. - М.: Машиностроение, 1988. - 648с. 7. Огвоздин В.Ю. Управление качеством. Основы теории и практики: Учебное пособие. - М.: Изд-во "Дело и сервис", 1999. - 160 с. - О10 8. Окрепилов В.В. Управление качеством: Учебник для вузов /2-е изд. - М.: ОАО "Изд-во "Экономика", 1998. - 639 с. - О11 9. Автоматизация технической подготовки производства. Сборник АН СССР. Минск, 1984. - 185с. 10. Диалоговое проектирование технологических процессов / Н.М. Капустин, В.В. Павлов, Л.А. Козлов и др. - М.: Машиностроение, 1983 255с., ил. 11. Компьютеризация информационных процессов на промышленных предприятиях / В.Ф. Сытник, Х. Срока, Н.В. Еремина и др. - К.: Тэхника; Катовице: Экономическая академия им. Карола Адамецкого, 1991. - 215с. 12. Павлов В.В. Типовые математические модели в САПР ТПП. - М.: Мосстанкин, 1989. - 75с. 13. Свиткин М.З., Мацута В.Д., Рахлин К.М. Менеджмент качества продукции на основе международных стандартов ИСО. СПб.: Изд-во СПб картфабрики ВСЕГЕИ, 1999. - 403 с. - C11 14. Всеобщее управление качеством: Учебник для вузов /О.П. Глудкин, Н.М. Горбунов, А.И. Гуров и др.; Под ред. О.П. Глудкина. - М.: Радио и связь, 1999. - 600 с. 15. Управление качеством: Учеб. пособие / М.Г. Круглов, Г.М. Шишков – М.: МГТУ "СТАНКИН", 1999. – 234с. 16. Диго С.М. Проектирование и использование баз данных. - М.: Финансы и статистика, 1995. - 208с.: ил. 17. Мейер Д. Теория реляционных баз данных: Пер. с англ. :Мир,1987. - 608с. 119 14. ПРИЛОЖЕНИЕ Основные операции реляционной алгебры Реляционная алгебра [16, 17] изучает особые математические объекты отношения. Пусть даны N множеств D1, D2, ..., DN, тогда R есть отношение над этими множествами ,если R есть множество упорядоченных n-кортежей вида , где d1 - элемент из множества D1, d2 - элемент из D2,... и dn элемент из DN. D1, D2, ..., DN называются доменами отношения R. Отношение можно представить графически в виде прямоугольной таблицы (см. рис.) Кортеж Домен Рис. - Отношение и его элементы. Число доменов в отношении называется степенью отношения, а число кортежей - мощностью. Структурой отношения называется множество содержащихся в этом отношении доменов. Будем обозначать отношение следующим образом: r(A1,A2,A3,...AN), (П1) где r - отношение; A1...AN - домены отношения; A1 - ключ отношения. Ключом отношения называется домен, все элементы которого уникальны (не повторяются) и позволяют однозначно идентифицировать каждый кортеж отношения. Наличие ключевого домена позволяет выполнять поиск кортежа по ключу. Главными операциями над отношениями являются операции добавления, удаления и изменения кортежей, а также операция выбора. Добавление кортежа в отношение R известной структуры записывается как: ADD(R;A1=d1,A2=d2,...AN=dN), (П2) где d1..dN - соответственно значения доменов A1..AN добавляемого кортежа. Удаление кортежа из отношения R обозначается: 120 DEL(R;A1=d1,A2=d2,...AN=dN), (П3) где A1 - ключевые домены отношения R; d1 - заданное значение ключа. Операция (П3) удалит тот и только тот кортеж, у которого значение ключевого домена равно d1. Изменение кортежа позволяет заменить значения одного или нескольких доменов кортежа, найденного по ключу: CH(R;A1=d1,A2=d2,...AN=dN;A1=c1,A2=c2,...AN=cN), (П4) где c1..cN - новые значения доменов A1..AN для кортежа, идентифицируемого ключом d1. Операция выбора вида: R1   A1 d 1 ( R ) (П5) означает: "образовать новое отношение R1, включив вы него те и только те кортежи отношения R, для которых ключ A1 равен d1". Одно из применений отношений и операций реляционной алгебры представление дискретных функций. Пусть дискретная функция f(x) при значениях аргумента в некотором заданном диапазоне [xmin...xmax] принимает дискретные значения из ряда V=(v1, v2, ..., vn). Тогда можно записать рассматриваемую функцию в виде отношения, содержащего домены XMIN, XMAX, V: R(XMIN, XMAX, V) (П6) Теперь, задавшись значением текущим значением аргумента xc, можно сформировать отношение R1: R1   XMIN  xc ( R ) (П7) Далее в отношении R1 ключевым уже станет домен XMAX. Выполнив операцию поиска вида R2   XMAX  xc ( R1 ) , (П8) найдем кортеж (вернее, отношение R2, мощность которого равна 1 или 0), в домене V которого хранится результат дискретной функции f(x) при x=xc.