CALS/ИПИ технологии в машиностроении

Пермский национальный исследовательский политехнический университет Кафедра «Инновационные технологии машиностроения» CALS/ИПИ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ Конспект лекций Составила к.т.н., доцент кафедры ИТМ Пермь 2019 Л.Х. Зубаирова УДК 621.002:658 Рецензент доцент кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ, канд. техн. наук Н.Е. Чигодаев Зубаирова Л.Х. CALS/ИПИ технологии в машиностроении. Конспект лекций. Перм. нац. исслед. политех. ун-т. Пермь, 2019. – 96 с. Конспект лекций знакомит студентов с CALS-технологиями – с современным подходом к проектированию, производству и поставке изделий при непрерывной информационной поддержке. Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2019 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение……….…………………………………………………………………….....3 ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КОНЦЕПЦИИСАLS/ИПИ 1.1. Этапы повышения эффективности производства ……………….…………....4 1.2. Структура жизненного цикла изделия……………………….………...……...6 1.3. Стратегия и задачи концепции CALS…………………………….……...……8 1.4. Основные понятия концепции CALS…….….……..….….……......................9 1.5. Классификация информации в CALS-технологиях...................................…15 1.6. Организация данных и знаний в компьютере…………….………................18 ГЛАВА 2. СТАДИИ И ПРОЦЕДУРЫ В ЖИЗНЕННОМ ЦИКЛЕ ИЗДЕЛИЯ 2.1. Инженерный анализ и конструирование в машиностроении…………..…..23 2.2. Стадия разработки технического задания…………………………………....27 2.3. Стадия разработки технического предложения……………………….….....33 2.4. Стадия разработки эскизного проекта……………………………………… 50 2.5. Конструкторское проектирование изделия………………………………… 55 2.6. Технологическая подготовка производства…………………………………65 2.7.Опытное производство, доводка, серийное производство изделия….……..71 2.8. Постпроизводственные фазы ЖЦИ…………………………………………..73 ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОНЦЕПЦИИ CALS/ИПИ 3.1. Основы единого информационного пространства …………………............78 3.2. Стандарты CALS-технологий………………………………………………..80 3.3. Задачи и функции PDM-системы……………………………………….……83 3.4. Интегрированная логистическая поддержка …………………………..…....84 3.5. CALS/ИПИ- технологии и реинжиниринг предприятия…….……………..86 3.6. Работа с информацией в глобальных компьютерных сетях...........................90 3.7. Обеспечение информационной безопасности ................................................93 Список литературы…………………………………………………………….……..96 Введение Термин ИПИ – аббревиатура от слов «Информационная Поддержка процессов жизненного цикла Изделий» – является русскоязычным аналогом термина CALS. При употреблении термина CALS обычно имеется в виду расшифровка Computer Aided Acquisition and Lifecycle Support – компьютерная поддержка поставок и жизненного цикла. Цель внедрения CALS/ИПИ-технологий – повышение эффективности и конкурентоспособности предприятия за счет существенного сокращения сроков освоения производства, улучшения качества изделий, технической документации, представляемой в электронном виде, снижение затрат по всем фазам жизненного цикла изделия (ЖЦИ), обеспечение высокого уровня сервиса и поддержки на постпроизводственных фазах ЖЦИ. Структура конспекта построена исходя из концепции CALS. Первая глава посвящена общим сведениям о CALS-технологиях, основным понятиям концепции. Во второй главе рассматриваются стадии, процедуры, операции функционального, конструкторского, технологического проектирований, изготовления изделия и поспроизводственные фазы ЖЦИ. В третьей главе приведены основные положения внедрения концепции CALS в ЖЦИ. 3 ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КОНЦЕПЦИИ САLS/ИПИ 1.1. Этапы повышения эффективности производства Производство изделий в своем развитии прошло три этапа повышения эффективности. I этап – гибкие производственные системы (ГПС). Начиная с 1980-гг. применяются ГПС – совокупность средств производства, обладающих способностью быстрой переналадки с производства одного вида продукции на другой с минимальными затратами времени и труда. Обычно такие системы машин бывают автоматизированными. Основной составной единицей при создании гибких производств является комплекс оборудования или так называемый гибкий (переналаживаемый) производственный модуль, представляющий собой комплекс взаимосвязанных компонентов: а) металлорежущий станок; б) промышленный робот; в) местное транспортно-накопительное устройство для подачи заготовок и удаления деталей, а также для накопления их запаса у станка. ГПС позволяет снизить потребность в квалифицированных станочниках и станках, повысить качество продукции. Производительность станков с ЧПУ, входящих в ГПС, в 1,5—2 раза выше суммарной производительности такого же количества индивидуально работающих станков с ЧПУ. II этап – компьютерные интегрированные производства (КИП), или CIM (Computer Integrated Manufacturing) были созданы в начале 90-х годов. На рис. 1.1 представлены системы, реализующие CIM/КИП. Последовательность этапов Проектирование изделия САЕ АСНИ CAD САПР И Проектирование средств организационнотехнологической подготовки Проектирование средств реализации производственного процесса CIM КИП САРР АСТПП PPS АСУП САМ АСУПР CAQ АСУК LAN ЛВС Рис.1.1. Основные системы CIM/КИП Была создана интегрированная информационная система (ИИС) предприятия путем использования общих баз данных. Компьютерные технологии применялись не только для автоматизации технологических процессов (ТП), но и для проектирования изделий, управления производством. Роль АСУП (автоматизированной системы управления предприятием) стала более значимой, возникли новые системы автоматизированного проектирования – САПР: САПР И – изделий (CAD–Computer Aided Design), САПР ТП – технологических процессов (САРР– Сomputer Automated Process Planning – компьютерно – автоматизированное планирование ТП), АСНИ – Автоматизированная система научных 4 исследований (CAE – Computer Aided Engineering – компьютерный инженерный анализ), АСТПП – АС технологической подготовки производства, АСУК – АС управления качеством CAQ – Computer Aided Quality Control– компьютерное управление качеством, АСУПР – АС управления производством. (CAM– Computer Aided Manufacturing – изготовление, поддержанное компьютером). Связь этих систем осуществляется через локальную вычислительную сеть (ЛВС), или LAN (Local Area Network – сеть локальной области). Для организации единого информационного пространства (ЕИП), приема информации от различных систем и поддерживания механизма ведения версий документов используются PDM – Product Data Management – системы управления данными об изделии. Наличие общей базы данных об изделии позволяет организовать процесс параллельного проектирования, при котором каждый последующий этап может быть начат еще до того, как закончен предыдущий. Это существенно сокращает сроки проектирования. III этап – CALS-технологии. Впервые работы по созданию информационных систем, поддерживающих ЖЦИ, были начаты в середине 1980х гг. в оборонном комплексе США в связи с планами по созданию СОИ (стратегической оборонной инициативы). Новую концепцию обозначили CALS – Computer Aided Logistic Support – компьютерная поддержка процесса поставок. Эти системы обеспечивали информационное взаимодействие госучреждений с частными фирмами в процессе заказа, поставок и эксплуатации военной техники. Оказалось, что это является чрезвычайно сложной проблемой, решение которой потребовало длительной и многосторонней проработки в масштабах, выходящих за пределы одной страны. Выяснилось также, что создание единой информационной среды требуется для производства любой сложной продукции, если ее производство основано на взаимодействии многих предприятий. В дальнейшем концепция CALS стала применяться в промышленности и других отраслях, охватывая все этапы ЖЦИ– от маркетинга до утилизации. Аббревиатура CALS получила более широкую трактовку: непрерывное сопровождение и поддержка ЖЦ – Continuous Acquisition and Life cycle Support. Наименование концепции на русском – ИПИ – Информационная поддержка изделия. Появились новые системы: MRP (Materials Requirement Planning – планирование потребности в материалах) и MRPII (Manufacturing Resource Planning –управление финансовой деятельностью), PLM (Product Life Management – управление жизненным циклом). Была предложена концепция ERP – Enterprise Resource Planning –планирование и управление ресурсами предприятия. Особенности концепции CALS-технологий следующие: 1) интеграция всех процессов ЖЦИ в единое информационное пространство; 2) участники взаимодействия могут быть в разных городах; 3) совместная информация разнообразна – конструкторская, технологическая, производственная, финансовая, коммерческая, юридическая; 4) средство передачи информации – Интернет. Внедрение CALS-технологий дает (данные США):  уменьшение затрат на проектирование 10-30%;  сокращение времени разработки изделия 2 раза;  уменьшение брака на 23-73%;  уменьшение затрат на техническую документацию на 30%. 5 1.2. Структура жизненного цикла изделия Структура ЖЦИ состоит из восьми основных фаз и представлена на рисунке 1.2. Первая фаза – функциональное проектирование, или инженерный анализ, совместно с конструированием и ТПП (технологическая подготовка производства) составляют техническую подготовку производства. Жизненный цикл изделия Функциональ Конструкторское -ное проектирова проектирова -ние -ние ТПП Изготовлен ие испытание, доводка Серийное произв одство Применен ие, эксплуатация Модерни зация, применение Утилиза -ция Рис. 1.2. Структура жизненного цикла изделия Техническая подготовка производства – комплекс работ, необходимых для подготовки производства к выпуску нового изделия. Структура и автоматизированные системы, используемые при технической подготовке производства, представлены на рис.1.3. Для функционального и конструкторского проектирования раскрыты наименования выполняемых проектных стадий, определенных ГОСТ (стадия разработки технического задания, и т.д.). Для ТПП (технологическая подготовка производства) указаны решаемые задачи:  отработка изделия на технологичность с целью повышения возможности изготовления изделия с наименьшими затратами без снижения качества;  проектирование технологического процесса (ТП) изготовления изделия;  проектирование и изготовление СТО (средств технологического оснащения) – приспособлений, режущих и измерительных инструментов, необходимых для выполнения технологических операций при изготовлении изделия. Организационная подготовка производства включает в себя календарное и технико-экономическое планирование и организацию производства изделия в установленные сроки и в заданном объеме. Информацию, циркулирующую в системе поддержки ЖЦИ, можно разделить на три класса:  данные об изделии (состав и структура, конфигурации, версии, характеристики, материалы, документы, данные о разработчиках и поставщиках);  данные о выполняемых процессах (процедурах, операциях и действиях исполнителей в ходе выполнения проекта);  данные о ресурсах, требуемых для выполнения процессов. Данные об изделии составляют основной объем информации. Многие из перечисленных видов данных требуют для своего представления сложных информационных моделей, учитывающих семантику (смысл) данных и правил работы с 6 ними. Например, международные стандарты ISO 10303 и ISO 15384 регламентируют технологию представления данных об изделии и его компонентах на этапах проектирования и подготовки производства. Техническая подготовка производства Конструкторская ТПП подготовка Функциональное проектирование Конструкторское проектирование Техническое задание Технический Техническое предложение Рабочий проект проект Организационная подготовка Отработка изделия на технологичность Календарное плпнирование Проектирование ТП Техникоэкономическое планирование Проектирование и изготовление СТО Организация производства Эскизный проект Рис. 1.3. Техническая подготовка производства Сведения о проектных стадиях, процедурах, бизнес-процессах рассматриваются в главе 2 конспекта. Приводятся краткое изложение алгоритмов, используемых математических моделей и методов формализации проектных процедур. Ресурсы – это совокупность материальных, финансовых, информационных, трудовых, временных, энергетических, интеллектуальных и иных ценностей и средств, используемых и расходуемых в ходе деятельности, связанной с проектированием, производством и эксплуатацией изделия по всему ЖЦИ. 7 1.3. Стратегия и задачи концепции CALS Цель внедрения CALS/ ИПИ - технологий – повышение эффективности и конкурентоспособности предприятия за счет существенного сокращения сроков освоения производства, улучшения качества изделий, технической документации, представляемой в электронном виде, снижение затрат по всем фазам жизненного цикла изделия, обеспечение высокого уровня сервиса и поддержки на постпроизводственных стадиях ЖЦИ Производитель обязан поставлять технически сложную наукоемкую продукцию в комплекте не с эшелоном бумажной эксплуатационно-конструкторской документации и изменений к ней, а с актуальной трехмерной моделью. На основе этой модели должна существовать возможность получения всех необходимых в процессе эксплуатации данных как о самом изделии, так и обо всех предписанных профилактических работах. Концепция CALS/ИПИ–это глобальная стратегия повышения эффективности видов деятельности предприятия, выполняемых в ходе ЖЦИ, за счет интеграции и преемственности информации. Стратегия CALS включает в себя решение следующих основных проблем:  применение современных информационных технологий;  реинжиниринг бизнес-процессов;  применение методов параллельного проектирования;  стандартизация в области совместного использования данных и электронного обмена данными. При параллельном проектировании информация относительно каких-либо промежуточных или окончательных характеристиках разрабатываемого изделия формируется и представляется всеми участниками работ, начиная с самых ранних этапов проектирования. Все участники работ одновременно получают техническое задание (ТЗ) и на основе прогностических оценок дают рекомендации по выполнению более ранних по отношению к ним этапов проектирования. Прогностическая оценка параметров может быть построена на основе использования математических моделей и методов, применения нейросетевого аппарата и на основе метода искусственного интеллекта (использование систем продукций, фреймов и семантических сетей). Основными задачами концепции CALS являются:  структурирование и моделирование данных об изделии и бизнеспроцессах;  обеспечение эффективности управления и обмена данными между всеми участниками ЖЦИ изделий;  создание и сопровождение документации, необходимой для поддержки ЖЦИ. Бизнес-процесс— это совокупность взаимосвязанных мероприятий или задач, направленных на создание определенного продукта или услуги для потребителей. Бизнес-процессы должны быть построены таким образом, чтобы создавать стоимость и ценность для потребителей и исключать любые необязательные или вовсе лишние активности. На выходе правильно построенных бизнес-процессов увеличиваются ценность для потребителя и рентабельность (меньшая себестоимость производства изделия или услуги). 8 1.4. Основные понятия концепции CALS В данном разделе рассматриваются следующие понятия: информация, данное, знание, моделирование, технология, логистика, проектирование. 1-е понятие – информация – это сведения об объектах окружающего мира. Объекты – это предметы (одушевленные и неодушевленные), процессы (то, что происходит во времени: производственный, технологический, вычислительный и т.д.) и явления. Явление происходит за короткий промежуток времени. Информацию можно классифицировать следующим образом:  по назначению (массовая и специальная);  по области получения и использования (научная, техническая, бытовая);  по форме хранения и носителя (бумажная и электронная);  по восприятию ( звуковая, зрительная, тактильная, вкусовая и т.д.);  по интеллектуальным возможностям (данные и знания). С точки зрения представления информации на компьютере наибольший интерес представляет классификация по последнему аспекту – данные и знания. 2-е понятие – данное – разновидность информации, характеризующая свойство объекта. Объект характеризуется множеством данных. Данному присваивается имя, определяется тип данного и задаются значения, определяющие свойство однотипных объектов. Например, сверло характеризуется данным «диаметр» числового типа, принимающее значения 10; 10,5 и 11 для трех сверл (диаметр=10,…). Формула данного: Данное = факт + связь. Примеры фактов: красное, 20,5, бегает, -800, 3467-76. Как видно из примеров, эти факты не несут сведения об окружающем мире. Чтобы превратить факт в информацию, его надо связать с объектом. Например, красное яблоко. 3-е понятие – знание – разновидность информации, связывающая разнотипные объекты через их данные, т.е. знание содержит умозаключение или логический вывод. Знание наделяет нас новыми возможностями и учит делать что-то новое. Приведенное определение соответствует алгоритмическому, или процедурному, знанию. Кроме процедурного, выделяют еще фактуальные, или декларативные знания. С точки зрения представления в компьютере фактуальные знания подобны данным и хранятся в базе данных. Пример процедурного знания: Если по чертежу деталь имеет отверстие, И в заготовке нет отверстия, То в качестве первого режущего инструмента необходимо выбрать сверло. Два объекта – заготовка и сверло связаны правилом Если – То. Формула знания: Знание = факты + связи + правило Если – То. Если – это условие. Оно представляется через логическое выражение, которое связывает логические данные операциями И (конъюнкция), ИЛИ (дизъюнкция) и НЕ (инверсия). Условие имеет два взаимоисключающих значения: «да» или «нет» (истина или ложь; 1 или 0). То – это решение или действие, принимаемое в соответствии с тем, выполняется условие (принимает значение «да») или не выполняется (значение «нет»). 9 Определения данного и знания даны исходя из их представления в информационных компьютерных системах. Для данных – это база данных, для знаний – база знаний, или экспертные системы. 4-е понятие – моделирование – процесс замещения одного объекта другим объектом. Замещаемый объект является оригиналом, замещающий – моделью. Модели подразделяются на два класса: материальные (или физические) и информационные (текстовые, графические, табличные, математические алгоритмические). Основные характеристики моделей: адекватность, универсальность и экономичность. 5-е понятие –технология – совокупность предмета, орудий труда и исполнителя, т.е. Технология = предмет труда + орудие труда + исполнитель. Орудие труда определяет способ изготовления, а исполнитель должен обладать навыками работы, изготовления. Для технологии машиностроения (ТМС) при обработке резанием: ТМС = заготовка + станок, режущий инструмент + рабочий. Для информационных технологий: ИТ = информация + компьютер + пользователь. 6-е понятие – логистика. Не существует однозначного определения термина «логистика». Семантика этого слова восходит к Древней Греции, где «logistike» обозначало «счетное искусство» или «искусство рассуждения, вычисления». В настоящее время часто используют следующее определение: «Логистика – наука об управлении информационными и материальными потоками в процессе движения товаров в производстве и бизнесе ». Современная логистика как наука зародилась в 1980-х гг. в США и Японии. Ее сущность заключается в системном подходе к управлению производством предприятия, отрасли, региона. В течение последнего десятилетия ХХ века в логистической науке произошел переход от частных концепций (производственная, транспортная логистика и др.) к интегрированной логистике, охватывающей все фазы ЖЦИ. 7-е понятие – проектирование – это процесс составления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта. С информационной точки зрения проектирование – процесс преобразования входной информации об объекте проектирования с использованием знаний в рассматриваемой области, опыта проектирования аналогичных объектов в выходную информацию в виде конструкторской и технологической документации. Объектами проектирования могут быть технические системы (например, станок, двигатель, ЭВМ) или процессы (технологические, вычислительные). Проектное решение – промежуточное или конечное описание объекта. Проектная процедура – совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением. Проектная операция – действие или совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры. Конструирование – разновидность проектирования, связанная с теми этапами, где принятое техническое решение получает конструктивное воплощение. 10 Можно сказать, что действия с замыслами можно ограничить проектированием, когда его цель состоит в использовании технического средства известной конструкции, а в случае отсутствия желаемой конструкции проектирование должно быть дополнено конструированием. Проектирование характеризуется многократным использованием типовых проектных решений и процедур. Типовые проектные процедуры делятся на процедуры синтеза и анализа. Процедуры синтеза делятся на процедуры структурного и параметрического синтеза. Целью структурного синтеза является определение структуры объекта. Параметрический синтез заключается в определении значений параметров компонентов и объекта в целом. На рис. 1.5 представлена типичная последовательность проектных процедур на одном из этапов нисходящего проектирования. Формулировка ТЗ Корректировка ТЗ Уровень k Синтез структуры СИНТЕЗ Изменение структуры Создание модели Выбор исходных значений параметров Параметрический синтез Модификация параметров Анализ Получено требуемое проектное решение? Выбор способа улучшения проекта нет да Оформление документации Формулировка ТЗ на элементы Уровень k + 1 Рис. 1.5. Схема процесса проектирования 11 На предыдущем этапе решались задачи k-го иерархического уровня, одним из результатов решения этих задач при нисходящем проектировании является формулировка технического задания на проектирование систем (k + 1)-го рассматриваемого уровня. Проектирование системы начинается с синтеза исходного варианта ее структуры. Для оценки этого варианта создается модель: математическая – при автоматизированном проектировании, экспериментальная или стенд – при неавтоматизированном проектировании. После выбора исходных значений параметров элементов выполняется анализ варианта, по результатам которого становится возможной его оценка. Обычно оценка заключается в проверке выполнения условий работоспособности, сформулированных в техническом задании. Если условия работоспособности выполняются в должной мере, то полученное проектное решение принимается, система (k + 1)-го уровня описывается в принятой форме и формулируются технические задания на проектирование элементов данного уровня (т.е. систем следующего уровня). Если же полученное проектное решение не удовлетворительно, выбирается один из возможных путей улучшения проекта. Обычно проще всего осуществить изменения числовых значений параметров элементов, составляющих вектор X. Совокупность процедур модификации X, анализа и оценки результатов анализа представляет собой процедуру параметрического синтеза. Если модификации Х целенаправленны и подчинены стратегии поиска наилучшего значения некоторого показателя качества, то процедура параметрического синтеза является процедурой оптимизации. Возможно, что путем параметрического синтеза не удастся добиться приемлемой степени выполнения условий работоспособности. Тогда используют другой путь, связанный с модификацией структуры. Новый вариант структуры синтезируется, и для него повторяются процедуры формирования модели и параметрического синтеза. Если не удастся получить приемлемое проектное решение и на этом пути, то ставится вопрос о корректировке технического задания, сформулированного на предыдущем этапе проектирования. Такая корректировка может потребовать повторного выполнения ряда процедур k-го иерархического уровня, что и обусловливает итерационный характер проектирования. Основным свойством современного проектирования является системность. Блочно-иерархическое представление, разделение проектирования по различным аспектам является результатом системно-компонентного и структурного подходов. Далее был отмечен итерационный характер проектных процедур с целью получения оптимальных проектных решений. Проектирование также характеризуется многократным использованием типовых проектных решений и процедур. Типовое проектное решение – это существующее проектное решение, многократно используемое при проектировании. Например, это известные крепежные соединения, подшипники, технологические переходы, стандартный режущий и измерительный инструмент. Проектная процедура (алгоритм нахождения проектных решений) называется типовой, если она предназначена для многократного применения при проектировании многих типов объектов. Типовые проектные процедуры делятся на процедуры синтеза и анализа. 12 Синтез (греч. synthesis – соединение, сочетание, составление) – это создание, составление описания объекта проектирования, анализ (греч. analysis – разложение, расчленение) – определение свойств и исследование работоспособности объекта по его описанию, т.е. при синтезе создаются, а при анализе оцениваются проекты объектов. Следующий подход – это разделение процесса проектирования на стадии, характерные для трудовой деятельности с отсроченной реализацией. Таким образом, выделяют следующие принципы проектирования: 1. блочно-иерархическое представление процесса проектирования. 2. декомпозицию описаний объекта проектирования по аспектам (функциональный, конструкторский, технологический). 3. итерационность и оптимизационность проектирования. 4. использование типовых проектных решений и процедур. 5. эргономичность проектирования – разумное сочетание формализованных (машинных) и неформализованных творческих процедур в проектировании. 6. многостадийность проектирования. Использование ЭВМ для выполнения проектных процедур требует формализации этих процедур, т.е. их представления в виде, пригодном для ЭВМ. Эля этой цели возможно использование математических моделей (ММ) – системы математических зависимостей, описывающих структуру и функционирование объекта. Если проектная процедура включает создание ММ и оперирование ею с целью получения полезной информации об объекте, то говорят, что процедура выполняется на основе математического моделирования. При построении ММ используют математические средства – теорию множеств, теорию графов, теорию вероятностей, математическую логику, математическое программирование, дифференциальные и интегральные уравнения и др. Представим проектирование с помощью некоторых из известных средств. Рассмотрение проектирования с позиции теории познания позволило отнести этот процесс к распознаванию объекта, наилучшим образом отвечающего поставленным целям. Для образности представим – все, что нужно человеку, уже создано и находится на складе. Содержащиеся в нем объекты классифицированы по признакам. Обращаясь на склад, человек должен осознать свои цели, сопоставить их с признаками и по ним отыскать необходимый ему объект. Можно предположить, что таких объектов окажется более одного (отсутствие объекта исключается по начальным условиям). В этом случае человек отбирает такой из них, который в наибольшей степени отвечает поставленным целям. При этом он руководствуется некоторой шкалой оценок. Распространив такой поведенческий подход, определим компоненты проектирования и обозначим их на языке теории множеств: А = {a1, a2, …, am} – множество целей; Pc = {Pc , Pc , …, Pc } – множество признаков системы; X = {x1, x2, …, xk} – множество технических решений; V = {v1, v2, …, vl} – множество оценок. Тогда функция проектирования может быть выражена следующим образом: (1.1) F : ψ A0   V , F :  A  Pc   Pc  X  A0   V   opt , где  – бинарное отношение между элементами А и Рс;  – бинарное отношение между элементами множеств Рс и Х; (при этом    A  Pc ; ψ  Pc  X ; A0  A 13 ). Выражение (1.1) можно рассматривать как целевую функцию проектирования, которую в результате выполнения определенных операций необходимо оптимизировать: F : ψ A0   V   opt . Описание объекта должно включать следующие компоненты и правила: 1) A – цель функционирования; 2) Eei  – множество компонентов, составляющих систему; 3) T t   – множество элементов времени;   P P  – множество признаков, характеризующих компоненты в ЖЦИ; S S  – множество состояний компонентов в рассматриваемое время; 4) Pi Pi j – множество признаков, характеризующих систему в целом; 5) 6) j s  i 7) H  S   T – правило упорядочения смены состояний; 8) Q  li , lk  – множество связей между всеми компонентами системы;     9) F : psj  f м pij – математические схемы, описывающие отношения между признаками компонентов и признаками системы; 10) Pc pc  – множество признаков взаимодействие системы со средой. Объект будет описан, если определены все перечисленные множества и соблюдены правила 7 и 9. Взаимодействие компонентов определяется связями, которые соединяют компоненты и признаки в целое. Обычно предполагают, что связи существуют между всеми компонентами. В первую очередь рассматриваются те связи, которые по заданным правилам определяют процесс взаимодействия между компонентами для достижения общей цели. Процесс проектирования как переход от одного описания объекта к другому может быть выражен следующим образом: О0  ОП1  ОП 2  ... ОПi , где О0 означает процесс проектирования; ОП1 , ОП 2 , ..., ОПi – описание объекта проектирования на разных стадиях его разработки. Описание объекта проектирования, определяющее достигаемые с его созданием и использованием цели, называется целевым: ОП1  А  а1 , а2 , ..., ат . Описание объекта проектирования, дающее представление об идее его технического решения, называется концептуальным. ММ объекта при таком описании включают множество целей и множество признаков, характеризующих объект в целом на всех этапах жизненного цикла: ОП 2  А0 , Рi . Описание, дающее представление о функционировании объекта, называется функциональным, или физическим. Математические модели, относящиеся к этому описанию, содержат множество признаков, определяющих взаимодействие системы со средой Рс, и правило упорядочения смены состояний Н: ОП 3  Pc , H . Математические модели, относящиеся к структурному описанию, включают следующие множества: элементов, составляющих систему Е; признаков, характеризующих компоненты Рs; связей между всеми компонентами Q, т.е. ОП 4  E, Рs , Q. Для структурного описания используются графы, таблицы. Динамическое описание включает в себя математические модели, построенные на множестве признаков, определяющих взаимодействие системы со средой Рс, множестве элементов времени Т и математических схемах, описывающих отношения между признаками компонентов и признаками системы: 14      ОП 5  Рс , Т , F : рij  f м рij . Описание, определяющее параметры объекта, называется параметрическим. В его состав входит множество параметров: ОП 6  p1 , p2 , ..., pn . Перечисленные ММ удается построить не для всех объектов. Когда нет такой возможности, используются методы представления знаний, такие как фреймы, системы продукций, семантические сети, и проектируется база знаний. База знаний содержит формализованные рассуждения специалистов (чаще всего с использованием правила «Если – То») и решение задач. В случае построения ММ или создания базы знаний проектирование может осуществляться в автоматическом режиме без вмешательства проектировщика в ход решения. Для трудноформализуемых задач (их гораздо больше) приходится ввести диалог, т.е. организовать автоматизированное интерактивное проектирование. 1.5. Классификация информации в CALS-технологиях Информация в CALS-технологиях делится на три группы:  данные об изделии (состав и структура, конфигурации, версии, характеристики, материалы, документы, данные о разработчиках и поставщиках);  данные о ресурсах, требуемых для выполнения бизнес-процессов  данные о выполняемых бизнес-процессах (процедурах, операциях и действиях исполнителей в ходе выполнения проекта); Данные об изделии составляют основной объем информации. Многие из перечисленных видов данных требуют для своего представления сложных информационных моделей, учитывающих семантику (смысл) данных и правил работы с ними. Например, международные стандарты ISO 10303 и ISO 15384 регламентируют технологию представления данных об изделии и его компонентах на этапах проектирования и подготовки производства. Ресурсы – это совокупность материальных, финансовых, информационных, трудовых, временных, энергетических, интеллектуальных и иных ценностей и средств, используемых и расходуемых в ходе деятельности, связанной с проектированием, производством и эксплуатацией изделия по всему ЖЦИ. Бизнес-процесс – это логичный, последовательный, взаимосвязанный набор мероприятий, который потребляет ресурсы, создаѐт ценность и выдаѐт результат. В международном стандарте ISO 9000:2000 принят термин "процесс", однако в настоящее время эти термины можно считать синонимами. В рамках бизнес-процесса «на входе» используется один или более видов ресурсов, и в результате этой деятельности «на выходе» создается продукт для потребителя.  "Выход" описывает то, что создается в результате деятельности, ее конкретную цель, это товары и услуги; 15 "Вход" описывает то, что преобразуется или расходуется в процессе деятельности (например, сырье и материалы, заявка на выполнение работ, обращение клиента и т.п.);  "Управление" - описывает целенаправленный характер деятельности и включает все допустимые управляющие воздействия (приказы, распоряжения, задания на выполнение работ и т.п.);  "Механизм" ("Ресурсы") - описывает ресурсы, используемые для достижения поставленной цели многократно; (оборудование, человеческие ресурсы).  "Функциональный блок" - собственно деятельность компании или ее части, по преобразованию "Входа" в "Выход", и использующая для этого имеющиеся "Ресурсы". Моделирование бизнес-процессов – это эффективное средство поиска путей оптимизации деятельности компании, позволяющее определить, как компания работает в целом и как организована деятельность на каждом рабочем месте. В настоящее время существуют три основных способа моделирования. Первый способ - текстовое последовательное описание бизнес-процесса. Примером текстового описания фрагмента бизнес-процесса является следующий текст: "Отдел продаж составляет договор купли-продажи и согласует его с Юридическим отделом". Для целей анализа и оптимизации деятельности компании данный способ не подходит. Второй способ– разбить бизнес-процесс по ячейкам таблицы. Данную таблицу читать более просто, из нее легче понять, кто за что отвечает, в какой последовательности в бизнес-процессе выполняются работы. Табличная форма более эффективна по сравнению с текстовой и в настоящее время активно применяется. Третий способ – графический. Признано, что графические методы обладают наибольшей эффективностью при решении задач связанных с описанием, анализом и оптимизацией деятельности компании. Пример:  - 16 Классификация технических задач. Решаемые в ходе деятельности исполнителей ЖЦИ технические задачи делятся на расчетные и нерасчетные. К расчетным относятся задачи, для решения которых можно использовать арифметические или алгебраические выражения, эмпирические формулы. Примеры: геометрическое моделирование (с использованием специализированных программ, CAD и САМ -систем ), определение припусков на механическую обработку, операционных технологических размеров, режимов резания, нормы времени и расходов материалов. Решение таких задач сводится к выполнению расчетов по формам, т.е. решение их достаточно формализовано. Нетрудно составить алгоритм, позволяющий решать эти задачи на ЭВМ. Однако большую часть технических задач составляют нерасчетные задачи. Это такие задачи, как выбор материала детали, методов обработки, типа оборудования, вида инструмента, назначение схемы базирования, способа установки детали, формирование состава операций, определение последовательности операций, выбор вида заготовки. Каким же образом специалист принимает решение в каждом из перечисленных случаев? Рассмотрим в качестве примера задачу о выборе метода обработки. Пусть в детали нужно обработать отверстие заданных размеров. Для решения рассматриваемой задачи технолог применит уже опробованные методы. В технологии машиностроения известно несколько проверенных на практике методов обработки отверстий: черновые – сверление, рассверливание, зенкерование, растачивание; чистовые – развертывание, растачивание, протягивание, шлифование, хонингование. Следовательно, имеется конечный набор известных методов обработки (типовых решений), и задача технолога состоит в обоснованном выборе одного из них, т.е. работа технолога сводится к принятию одного из типовых решений рассматриваемой технологической задачи. Каждый из методов обработки (типовое решение) имеет свою область рационального применения, которая определяется комплексом условий как технологического, так и организационно-экономического характера. При отсутствии отверстия в заготовке первым черновым переходом назначают сверление. Если окончательные размеры отверстия велики, то сначала сверлят отверстие малого диаметра, а затем его рассверливают. В крупносерийном и массовом производствах применяют более точные методы получения заготовок, поэтому в заготовке отверстие, как правило, уже имеется. Тогда черновым переходом может быть зенкерование. Однако зенкеры изготовляют в основном диаметром до 150 мм. При больших диаметрах отверстий необходимо назначать растачивание и т.д. Таким образом, основной принцип состоит в обоснованном выборе типового решения. Аналогичен методологический подход и к решению других задач нерасчетного характера. Необходимо отметить, что типовые решения являются основой автоматизации принятия решения. 17 1.6. Организация данных и знаний в компьютере Укрупненная схема организации информации (данных и знаний) показана на рис. 1.6. Организация информации предполагает еѐ представление и управление. Внутренне, ил физическое представление информации – это представление информации в памяти компьютера, не определяя еѐ смысла. Компьютер «понимает » только две ситуации, условно обозначенными как 0 и 1 – значение бита. Бит – минимальная единица количества информации в компьютере. Компьютер редко работает с битами, и наименьшей адресуемой информацией является байт – совокупность из восьми битов. Байты объединены в файл, файлы хранятся в папках, папки – в диске. Логическое представление – смысловое, и включает приобретение (извлечение, нахождение), структурирование (например, представление информации в виде иерархической древовидной структуры или таблицы), формализацию (представление в понятном компьютеру виде, например, на языке программирования). Формализованная информация превращается в ресурс– базу данных (БД) или базу знаний (БЗ). Организация информации Представление Управление информации информацией Физическое, или Логическое, или внутреннее внешнее Бит Приобретение Накопление Байт Структурирование Хранение Файл Формализация Обработка Каталог, или Информационный папка Ресурс: БД, БЗ Логический Прием Поиск Выдача диск Рис. 1.6. Организация информации 18 Представленной информацией необходимо управлять – выполнять над нею операции приема и хранения, обработки и выдачи. Для создания и эксплуатации информационных технологий по обработке данных об объектах используются СУБД – системы управления базами данных – набор инструментальных средств. Распространенным и доступным является СУБД Access. Как известно, данное – это разновидность информации, характеризующая объект. Объект характеризуется множеством данных. Данному присваивается имя, определяется тип данного и задаются значения данного, определяющие однотипные объекты. Например, сверло характеризуется данным «диаметр» числового типа, принимающее значения 10; 10,5 и 11 для трех сверл. На языке БД данное называется полем. Access – СУБД реляционного типа, и определяющей данный тип особенностью является то, что данные хранятся в табличном виде. Над таблицами можно выполнять операции сложения, вычитания, умножения. Средствами Access выполняются операции: 1. Проектирование базовых объектов Access – двумерных таблиц с разными типами данных (полей). 2. Установление связей между таблицами с поддержкой целостности данных, каскадного обновления полей и каскадного удаления записей. 3. Ввод, хранение просмотр, сортировка, модификация и выборка данных из таблиц с использованием различных средств контроля информации, индексирования таблиц и аппарата логической алгебры для фильтрации данных. 4. Создание, модификация и использование производных от таблиц объектов Access – форм, запросов, отчетов, а также – макросов и модулей. Таблица состоит из фиксированного количества столбцов и произвольного количества строк (записей). Заголовки столбцов – имена полей, характеризующих однотипные объекты. Строки содержат значения этих полей для множества объектов. Одна строка моделирует (описывает) один объект. Для таблицы назначается главный (первичный) ключ. Главный ключ – это назначенное поле (или несколько полей) для нахождения нужной записи по значению этого поля. Значения главного ключа не повторяются, т.е. уникальны. Например, для таблицы «Товары» главным ключом может быть поле «наименование», если содержащиеся товары имеют разные наименования. Таблица упорядочена (отсортирована) по возрастанию или убыванию значений главного ключа. Остальные поля таблицы являются вторичными ключами и служат для создания индексных файлов, упорядоченных по вторичным ключам. Форма – необязательный и несамостоятельный объект базы данных. Она упрощает просмотр, ввод и редактирование данных, является окном диалога – интерфейсом – и, как правило, отображает одну запись. Запрос – производный объект от базовых таблиц и других запросов. В запрос выбираются данные из таблиц по условиям или проводятся над данными операции вычисления, групповые операции (суммирование, определение среднего значения и т.д.) Проектирование базы данных нацелено именно на создание различных запросов по потребностям пользователя. Отчет служит для представления данных на печать, что позволяет сгруппировать записи по уровням с вычислением итоговых и средних значений, включить графические объекты. Как правило, для формирования отчета создают запрос и на его базе проектируют отчет. 19 Макрос – набор макрокоманд (например: открыть запрос, сохранить). Модуль – программа, разработанная на языке Visual Basiс. В базу данных входит еще один документ – схема данных со своим окном. В этом окне создаются, просматриваются, изменяются связи между таблицами. Каждая таблица способна функционировать полностью самостоятельно, но связи с другими таблицами помогают работать лучше, предоставлять больше сведений. Связи устанавливаются между двумя таблицами через одноименное поле. Связи бывают трех типов: один — ко многим, один — к одному, многие — ко многим. Главная таблица содержит первичный ключ и составляет часть «один» в отношении один — ко многим, подчиненная таблица содержит такой же тип информации со стороны «много» в отношении один — ко многим. При наличии связи СУБД обеспечивает целостность данных, т.е. позволяет обновлять данные в таблицах только согласованно. Связи также позволяют создавать запросы и отчеты из множества таблиц. При повышении уровня автоматизации организации информации в компьютере разрабатывается база знаний, разновидностью которых являются экспертная система. Экспертные системы (ЭС) – сложные программные комплексы, аккумулирующие знания специалистов в конкретной предметной области и тиражирующие этот эмпирический опыт для решения задач и консультации менее квалифицированных специалистов. Представление, накопление знаний и поддержание их в актуальном состоянии – сложная задача, исследуемая в области информатики, которая называется инженерией знаний. Инженер по знаниям участвует в разработке базы знаний – ядра систем, называемых интеллектуальными. Чаще всего интеллектуальные системы применяются для решения сложных задач, где основная сложность решения связана с использованием слабо формализованных знаний специалистовпрактиков и где логическая (или смысловая ) обработка информации превалирует над вычислительной. ЭС – это наиболее распространенный класс интеллектуальных систем, эффективный в областях, где важны эмпирические (основанные на опыте) знания. Существуют десятки моделей (или языков) представления знаний для различных предметных областей. Большинство из них может быть сведено к следующим классам:  продукционные модели;  семантические сети;  фреймы. Продукционная модель, или модель, основанная на правилах. Эта модель позволяет представить знания в виде предложений типа «Если (условие), то (действие)». Под «условием» понимается некоторое предложение-образец, по которому осуществляется поиск в базе знаний, а под «действием» – действия, выполняемые при успешном исходе поиска (они могут быть промежуточными, выступающими далее как условия, и терминальными, или целевыми, завершающими работу системы). Чаще всего вывод на такой базе знаний бывает прямой (от данных к поиску цели) или обратный (от цели для ее подтверждения к данным). Данные – это ис20 ходные факты, хранящиеся в базе фактов, на основании которых запускается машина вывода или интерпретатор правил, перебирающий правила из продукционной базы знаний. Продукционная модель чаще всего применяется в промышленных экспертных системах. Она привлекает разработчиков своей наглядностью, высокой модульностью, легкостью внесения дополнений и изменений и простотой механизма логического вывода. Семантические сети. Термин семантическая означает «смысловая», а сама семантика – это наука, устанавливающая отношения между символами и объектами, которые они обозначают, то есть наука, определяющая смысл знаков. Семантическая сеть – это ориентированный граф, вершины которого – понятия, а дуги – отношения между ними. В качестве понятий обычно выступают абстрактные или конкретные объекты, а отношения – это связи типа: «это» («АКО – А-Kind-Of», «is»), «имеет частью» («has part»), «принадлежит». Наиболее важны связи типа «это», они позволяют встроить в сеть иерархию понятий, в которой вершины низких уровней наследуют свойства вершин более высоких уровней. Например, «токарный станок» наследует такие признаки вершины «станок», как наличие станины, режущего инструмента, приспособления, органов управления и т.д. Данная модель представления знаний была предложена американским психологом Куиллианом. Основным ее преимуществом является то, что она более других соответствует современным представлениям об организации долговременной памяти человека. Недостатком этой модели является сложность организации процедуры поиска вывода на семантической сети. Фреймы. Термин «фрейм» (от английского frame, что означает «каркас» или «рамка») был предложен Марвином Минским, одним из пионеров ИИ, в 70-е годы для обозначения структуры знаний и восприятия пространственных сцен. Эта модель, как и семантическая сеть, имеет глубокое психологическое обоснование. Фрейм – это абстрактный образ для представления некоего стереотипа восприятия. В психологии и философии известно понятие абстрактного образа. Например, произнесение вслух слова «комната» порождает у слушающих образ комнаты: «жилое помещение с четырьмя стенами, полом, потолком, окнами и дверью, площадью 6–20 м2». Из этого описания ничего нельзя убрать (например, убрав окна, мы получим уже чулан, а не комнату), но в нем есть «дырки», или «слоты», – это незаполненные значения некоторых атрибутов, например, количество окон, цвет стен, высота потолка, покрытие пола и др. В теории фреймов такой образ комнаты называется фреймом комнаты. Фреймом также называется и формализованная модель для отображения образа. Различают фреймы-образцы, или прототипы, хранящиеся в базе знаний, и фреймы-экземпляры, которые создаются для отображения реальных фактических ситуаций на основе поступающих данных. Модель фрейма является достаточно универсальной, поскольку позволяет отобразить все многообразие знаний о мире через: 21  фреймы-структуры, использующиеся для обозначения объектов и понятий (станок, технологический переход);  фреймы-роли (менеджер, кассир, клиент);  фреймы-сценарии (банкротство, собрание акционеров);  фреймы-ситуации (тревога, авария, рабочий режим устройства) и др. Традиционно структура фрейма может быть представлена как список свойств: (ИМЯ ФРЕЙМА): (имя 1-го слота: значение 1-го слота), (имя 2-го слота: значение 2-го слота), … (имя N-го слота: значение N-го слота)). Ту же запись можно представить в виде таблицы, дополнив ее двумя столбцами. Структура фрейма Таблица 1.1 Имя слота Значение слота Имя фрейма Способ получения значения Присоединенная процедура В табл. 1.1 дополнительные столбцы предназначены для описания способа получения слотом его значения и возможного присоединения к тому или иному слоту специальных процедур, что допускается в теории фреймов. В качестве значения слота может выступать имя другого фрейма, так образуются сети фреймов. Существует несколько способов получения слотом значений во фрейме-экземпляре:  по умолчанию от фрейма-образца (Default-значение);  через наследование свойств от фрейма, указанного в слоте АКО;  по формуле, указанной в слоте;  через присоединенную процедуру;  явно из диалога с пользователем;  из базы данных. Основным преимуществом фрейма как модели представления знаний является то, что он отражает концептуальную основу организации памяти человека, а также ее наглядность. Наиболее удобный инструмент представления инженерных знаний в ЭС первого поколения – таблицы решений – используют фреймы (комплексные таблицы) и системы продукций (таблицы решений с ограниченными и расширенными входами). Таблицы с расширенными входами составляют базу данных технологической системы с указанием параметра выбора. С их помощью организуется выбор СТО, режимов обработки, уточнение чисел оборотов шпинделя и подачи применительно к конкретному оборудованию и т.д. 22 ГЛАВА 2. СТАДИИ И ПРОЦЕДУРЫ В ЖИЗНЕННОМ ЦИКЛЕ ИЗДЕЛИЯ 2.1. Инженерный анализ и конструирование в машиностроении Инженерный анализ, или функциональное проектирование, и конструирование – это первые две фазы жизненного цикла изделия. Логическая схема проектирования представлена процедурной моделью. Она реализует системный подход и дает наглядное представление о стадиях и процедурах проектирования, задачах и методах их решения. Модель (табл. 1.1) согласуется со стадиями разработки согласно ECKД (единой системе конструкторской документации), а выпуск тех или иных видов документации представлен как результат соответствующих проектных процедур. Таблица 1.1 Процедурная модель проектирования Стадии разработки Процедуры проектирования Методы решения задач проектирования Состояние производства, социальный заказ, рынок Определение потребности в проектировании объекта Определение целей Техническое задание Принятие решения путем сравнения вариантов Техническое предложение Эскизный проект Технический проект Рабочая документация Сценарий, граф целей Определение основных признаков Поиск вариантов технических решений (синтез) Анализ принятого решения Выбор параметров и режимов действия объекта (оптимизация) Компоновка объекта Конструирование машины Конструирование сборочных единиц и деталей Источники информации Технические журналы и литература, патентные источники, законченные проектные разработки Мозговой штурм, таблицы приемлемости и др. Матрица решений и др. Опыт эксплуатации машин Кинематический и динамический анализ, моделирование Обработка статистических данных, методы оптимизации Достижения науки, опыт проектирования, ГОСТ Отработка на технологичность, надежность, эргономичность, прочность. Унификация, стандартизация Проектирование начинается с определения потребности в создании нового изделия. Потребность в нем чаще всего диктуется состоянием общественного производства, рынка. Внутри предприятия она может быть вызвана стремлением к повышению производительности труда. Инженер, постоянно наблюдающий за состоянием производства, своевременно замечает ситуацию, препятствующую повышению производительности труда. Если возникшая ситуация хорошо 23 знакома, то инженер может сразу принять решение и перейти к его реализации. Однако значительно чаще он не может сразу найти решение, лучшим образом удовлетворяющее возникшую потребность. В этом случае приходится прибегать к развернутому во времени сложному процессу проектированию. Поиск решения может быть тогда удачным, когда имеется ясное представление о его цели. Определение целей проектирования – весьма ответственная процедура. Во многих случаях результат разработки объектов новой техники оказывается неудовлетворительным из-за неправильной или неточной формулировки целей. Приведем высказывание А.Холла: «… ошибки, допущенные при выборе целей проектирования, особо тяжелы по своим последствиям. Выбрать не то техническое решение, значит, создать не очень удачный объект; выбрать не те цели, значит, создать не то, что нужно». Основная задача процедуры выбора целей – распознать в общих чертах объект проектирования и его окружение. Какой-либо четкой методики решения ее нет. Определенным образом организует решение задачи составление сценария и построение графа целей. Весьма удобный аппарат для анализа и синтеза информации представляет инженерное прогнозирование. Оно способно ответить на следующие вопросы: какие инженерные направления займут лидирующее положение в технике; каковы возможные пропорции внедрения в практику конкурирующих направлений; какова предполагаемая эффективность реализации технических направлений? Прогнозирование сейчас становится особенно важным. Выбирая, например, тот или иной способ воздействия на среду как основу для создания новой машины конструктор должен помнить, что на проектирование и внедрение уйдет не менее пяти лет (речь идет о серийном изготовлении). За этот срок могут произойти существенные изменения в науке и технике, может оказаться, что выбранное направление перестанет отвечать научно-техническому прогрессу и созданная машина с первых дней своей жизни морально устареет. Чтобы этого избежать, нужно предвидеть те или иные технические направления. На стадии определения целей уже может возникнуть то или иное решение. Однако опытный конструктор не торопится с его реализацией. Он знает, что это решение далеко не единственное. После выбора целей проектирования можно приступить к процедуре определения основных признаков объекта. Признаки (характеристики, показатели) технической системы – характеристики ее свойств. Они могут быть качественными и количественными. Процедура поиска вариантов возможных решений напоминает формирование (синтез) оперативных моделей в сознании человека. Она в наибольшей степени опирается на творческие начала и выполняется чаще неформальными методами, однако есть варианты поиска технического решения с помощью ЭВМ. Основными источниками информации о вариантах решений служат техническая литература и журналы, авторские свидетельства и патенты. На следующем этапе проектирования выполняется процедура принятия решения. Из множества вариантов необходимо выбрать лучший по показателям, устанавливающим соответствие технического решения ранее определенным целям. Принятие решения уже сейчас формализовано в значительно большей степени, чем предыдущие процедуры. Основным источником информации для сравнения вариантов служит опыт использования существующих однотипных изделий. Полезную информацию несет теория принятия решений. 24 Отобрав из всех возможных вариантов один, конструктор должен тщательно проверить его на работоспособность и возможность технического воплощения. Эта процедура называется анализом принятого решения. При ее реализации используются кинематический и динамический анализ, моделирование. Может оказаться, что выбранный вариант не удовлетворяет условиям работоспособности или не сможет найти в современных условиях технического воплощения. В таком случае нужно вновь вернуться к этапу принятия решения, отобрать другой вариант и произвести его анализ. На схеме процедурной модели это отображено второй обратной стрелкой. Окончательным оформлением принятого решения является техническое предложение. Любое, даже самое передовое, техническое решение окажется бесплодным, если не получит удачного технического воплощения. Прогресс техники направлен на повышение производительности труда, поэтому каждая новая машина бывает, как правило, более производительной, но не всякая новая машина оказывается более надежной (вызывается это неудачным конструированием, неправильным выбором параметров). Современная машина выступает как единый комплекс, отдельные узлы которого находятся во взаимодействии. Так, вибрационное воздействие рабочего органа, призванное повысить эффективность машины, передается не только на обрабатываемую среду, но и на раму машины, на ходовое и силовое оборудование, на систему управления, ухудшая условия работы этих узлов. Стремление к полному устранению вредного воздействия на все узлы может привести к существенному удорожанию машины. Удачная конструкция представляет собой оптимальное сочетание параметров всех ее узлов. Выбор параметров, связанный с компромиссом между противоречивыми факторами, протекает в условиях действия всемирного закона диалектики – закона единства и борьбы противоположностей. Выбор параметров можно отнести к классу экстремальных задач. Тот или иной критерий качества, улучшение которого составляет цель проектирования, представляется в виде функции, подлежащей максимизации или минимизации. Аргументами ее служат параметры машины, допустимые значения которых ограничены некоторой областью. Решить поставленную задачу – значит найти такие значения аргументов из заданной области, при которых целевая функция имеет экстремальное значение. Для решения задач применяются методы оптимизации. По результатам процедуры выбора параметров составляется эскизный проект – конструкторский документ, дающий представление в общих чертах о принципе работы машины. Получив данные о принципе действия и параметрах машины, приступают к ее конструированию. Успешное выполнение этого этапа зависит как от опыта конструктора, так и от его умения использовать знание таких дисциплин, как «Детали машин», на основе которой производятся расчеты; «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения», определяющая требования к характеру и точности типовых соединений в машинах на основе эксплуатационного назначения, методы расчетно-опытного обоснования прочности, физико-технические и экономические предпосылки систем допусков и посадок, построение и применение этих систем в комплексе с техническими измерениями, метрологическое обоснование качества продукции; «Надежность машин», дающая возможность оценить свойства будущего объекта новой техники – безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость; 25 «Эргономика», изучающая человека в условиях производства, характеризующая систему «человек – машина –среда» с учетом антропометрических, гигиенических, физиологических и психофизических свойств человека; «Техническая эстетика», формирующая методы достижения выразительности, оригинальности, гармоничности и целостности форм машины; «Охрана труда», определяющая систему мероприятий по обеспечению безопасных для жизни, здоровья условий труда обслуживающего персонала; «Квалиметрия», объединяющая методы количественной оценки качества продукции. Завершающая проектная разработка оформляется в виде технического проекта и рабочей документации, состав и содержание которых предусмотрены ЕСКД. При выполнении всех этих работ нужно постоянно помнить о важном обстоятельстве в любой трудовой деятельности – контроле за результативностью исполнения принятого решения. В отличие от физической работы, когда человек имеет непосредственный контакт с предметом труда, при проектировании конструктор соприкасается лишь с описанием. В процессе своей работы он может допускать ошибки, смысл которых нередко оказывается скрытым до окончания технического воплощения, т.е. до его испытания, а иногда и до эксплуатации. Поэтому в контроль вкладывается более широкий смысл. Помимо обычной проверки чертежей, необходим анализ возможных ошибок. 26 2.2. Стадия разработки технического задания Техническое задание (ТЗ) согласно ГОСТ 15.001-73 устанавливает: основное назначение, технические и тактико-технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию, необходимые стадии разработки конструкторской документации и ее состав, а также специальные требования к изделию. ТЗ составляет разработчик на основе заявки заказчика. Заявка уже должна содержать обоснование технико-экономических требований к продукции. Обоснование требований приводит к необходимости системных исследований. Выполнить это заказчику, не располагающему кадрами научных работников, затруднительно. Поэтому должное обоснование требований возлагается на разработчика. Продукция, подлежащая разработке и изготовлению, по техническому уровню и качеству должна быть такой, чтобы к моменту выпуска она была на уровне лучших отечественных и мировых достижений, конкурентоспособной, экономически эффективной и удовлетворяла потребности рынка. На стадии ТЗ выполняются процедуры: определение потребности в проектировании, выбор целей и определение признаков объекта проектирования. 2.2.1. Определение потребности в проектировании Потребность в новой технике не всегда связана с потребностью проектирования. Во-первых, нужные объекты уже могут существовать, вовторых, рационализация технологии может изменить потребность в технических средствах, в-третьих, если потребность связана с улучшением характеристик уже существующей техники, то ее удовлетворение должно дать эффект, в противном случае создание нового объекта нерационально. Всегда нужно помнить, что проектирование – сложный и трудоемкий процесс. Развертывать его следует только в тех случаях, когда без этого обойтись нельзя. С учетом изложенного, процедуру определения потребности в проектировании можно представить как решение задачи об установлении истинности сложного высказывания, заключающегося в следующем. Объект нужно проектировать тогда, когда подобных объектов не существует, и от него нельзя отказаться, когда затраты на проектирование, подготовку производства и изготовление окупаются в установленный срок и приносят эффект. Выделим из приведенного сложного высказывания элементарные: Y1 – технический объект имеется в нашей стране; 2 – технический объект имеется за рубежом; 3 – можно отказаться от объекта; 4 – применение объекта дает эффект; 5 – можно приобрести объект за рубежом. Формула высказывания, определяющая потребность в проектировании, Y  Y1Y 3Y 4 Y 5Y 2 . имеет вид: Область определения функции следующая:  = (FALSE, TRUE), где TRUE – проектировать нужно, FALSE – проектировать не надо; Y 1 , Y 3 и т.д. – операция отрицания в алгебре высказываний, Y 1 истинно (TRUE) тогда, когда  1 ложно (FALSE);  – знак операции конъюнкции (и).   27 Определение истинности элементарных высказываний составляет отдельные операции. Часть из них ( Y 1 и Y 2 ) можно выполнить, обратившись к базе данных о существующих объектах соответствующего класса. Истинность высказывания Y 3 устанавливается при решении задачи, рассматривающей объект проектирования внутри системы более высокого уровня. Истинность Y 4 (определение эффективности) строится на основе определения прошлых и будущих затрат. 2.2.2. Выбор целей проектирования При проектировании того или иного объекта на первых стадиях мы не представляем себе, как он выглядит (какую имеет форму, размеры, тип рабочего органа), однако известно, что он должен делать, известны его ориентировочная производительность, стоимость и некоторые исходные данные. Кроме того, можно установить, в каких условиях он будет работать (климатические условия, квалификация обслуживающего персонала и др.). Объект окажется жизнеспособным, если он будет приспособлен к окружающей среде и к заданным функциям не в настоящем времени, а в будущем. В связи с этим распознавание (с точки зрения теории познания проектирование – это распознавание) объекта связано с прогнозированием. В этом случае уместно обратиться к одному из приемов драматургии – приему составления сценария. Под сценарием в практике социально экономического и научнотехнического прогнозирования подразумевается обзор, содержащий данные о ситуации, внутри которой протекают процессы, являющиеся объектом прогноза. Описать ситуацию – значит установить факторы окружения проектируемого объекта, к которым относятся: окружающая среда, внутри которой будет обитать объект; научно-техническая, экономическая и социальная ситуации. Описание факторов окружения начинается с изложения существующего положения и заканчивается прогнозом на будущее. Существует свыше 100 методов прогнозирования, среди которых: математическая подгонка полиномами, экстраполяция факторов, множественные регрессии, технические прогнозы по опережающей области, коллективный экспертный опрос, морфологический анализ, метод «Дельфи» (считаются баллы, рейтинги 4 – 6 раз, пока не будет изменений), коллективная генерация идей, экономические игровые модели и др. Инженерное прогнозирование использует такие методы, как коллективный экспертный опрос, экстраполяция, морфологический анализ. Экспертные методы прогнозирования основаны на обработке мнений специалистов (expertus в переводе с латинского означает опытный). Опрос экспертов производится в устной форме (интервью), в форме анкет. Иногда достаточно обратиться к публикациям, в которых можно найти высказывания экспертов по интересующему вопросу. С учетом выделенных четырех сфер окружения объекта проектирования можно сформировать четыре группы экспертов, специализирующихся в областях: научных исследований (научнотехническая ситуация), экономики (экономическая ситуация), производства и потребления (социальная ситуация), экологии (окружающая среда). Экстраполяционные методы прогнозирования основаны на переносе событий и состояний из прошлого в будущее. Они используются с успехом для ситуаций, медленно изменяющихся во времени, т.е для эволюционного развития. 28 Морфологический анализ применим как к эволюционному развитию, так и к резким изменениям. На его основе можно предсказать преимущественное развитие того или иного объекта или целого направления техники. Конкурирующие направления сравниваются по ряду характеристик, имеющих определенный вес, такое сравнение может производиться на основе опроса экспертов. Для обработки полученных данных прибегают к статистическим методам. Сценарий вскрывает множество факторов, определяющих в дальнейшем направление поиска решения. На основе сценария можно сформировать цели проектирования, исходя из различных сфер окружения. Все окружение разбивается на уровни. На первом уровне помещается сфера, охватывающая интересы всего человечества, на втором – интересы государства, далее – сферы интересов отрасли, предприятия (заказчика), проектной организации (исполнителя), отдела и, наконец, сфера личных интересов. На каждом уровне возникают свои цели, связанные с целями более высокого уровня. Граф, вершины которого означают цели, а дуги – их отношения, носит название графа целей (рис. 2.1). I – интересы всего человечества II – государственные интересы III – интересы отрасли IV – интересы предприятия (заказчика) V – интересы проектной организации VI – интересы отдела VII – интересы личные а i j N Ri  j ri  j б Рис. 2.1. Граф целей: а – уровни сфер окружения объекта проектирования; б – обозначения на вершинах графа целей Попытаемся с помощью графа найти наиболее важные цели на каждом уровне. Для этого выполним следующее: 1) разобьем каждый кружок на четыре 29 сектора; 2) в верхних секторах поставим номера вершин i-j (i – номер уровня; j – номер цели на уровне i); 3) в нижних секторах запишем оценки весов целей по их относительной значимости на каждом уровне ri-j. Пока ранжирование целей проведено без учета их связей. Однако достижение некоторых из них, кроме главной (I уровень), оказывается средством к достижению связанных с ней целей более высокого уровня. Естественно, что конструктор яснее всего осознает свои личные цели. Достигая их, он обеспечивает выполнение связанных с ними более высоких по уровню целей. Скорректируем веса целей с учетом связей и воспользуемся понятием коэффициента связи. Определим его как произведение весов целей, связанных на графе дугой. Вновь вернемся к рассмотрению важности целей на каждом уровне. Теперь уже более значимой следует считать ту цель, у которой оказался наибольший абсолютный вес, равный сумме относительного веса и коэффициентов связи по заходящим дугам. Поставим значения абсолютных весов Ri-j в левых секторах вершин, а в правых – N – место цели на каждом уровне по степени ее важности. Конструктор может обрезать граф, отбрасывая его отдельные вершины, а в некоторых случаях и целые цепи. Может оказаться, что в число отброшенных целей попадают и личные цели. В этом случае конструктору придется поступиться некоторыми собственными интересами. Вершины, оставшиеся на графе, определяют более важные цели, на достижение которых и должно быть направлено проектирование. Таким образом, процедура выбора целей представляет собой совокупность операций: по разработке сценария, определению полного множества целей применительно к проектированию объектов данного класса, выбору подмножества целей и ранжирования (построения по степени важности) целей. Результат процедуры выбора целей – это целевое описание объекта проектирования, которое включает в себя выражение потребности проектирования (а0) и основные цели в ранжированной последовательности: ОП1  а 0 а1 , а2 , ..., аn . 2.2.3. Определение основных признаков объекта проектирования Как было отмечено, объекты проектирования характеризуются определенным множеством признаков, основными из которых являются: показатели назначения, категория качества, показатели надежности, показатели технологичности, уровень унификации и стандартизации, показатели безопасности работы и обслуживания, показатели эстетичности, характеристики патентной чистоты, патентной защиты, характеристики условий эксплуатации, технического обслуживания и ремонта, показатели экономичности. Показатели назначения характеризуют эксплуатационно-технологичес-кие свойства объекта и прогрессивность его конструкции. По способу определения они могут быть измеряемыми и оцениваемыми в баллах. К измеряемым показателям относятся: размерные (габаритные размеры всей машины и ее составных частей, зона действия рабочего органа и др.), скоростные (транспортная скорость машины, рабочая скорость, скорость подъема и опускания рабочего органа и др.), массы (конструктивная масса, общая масса, масса проти30 вовеса и др.), проходимости (радиус поворота, дорожный просвет, угол въезда и съезда, давление на грунт и др.). К показателям, оцениваемым в баллах, относятся: типы привода и ходового оборудования, наличие бесступенчатого регулирования скорости и элементов автоматики, способ монтажа, демонтажа и др. Категория качества является результирующей оценкой и может быть первой и высшей. К первой категории относят объекты, находящиеся по техникоэкономическим показателям на уровне современных требований народного хозяйства, отвечающие стандартам и нормативно-техническим документам, входящим в проект, а к высшей – объекты, у которых показатели находятся на уровне лучших мировых достижений и даже превосходят их. Показатели надежности дают количественные характеристики проявления одного или нескольких свойств, обуславливающих надежность машины применительно к определенным промежуткам времени, условиям эксплуатации. Надежность машины проявляется в ее безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Показателем безотказности служат: вероятность безотказной работы; средняя наработка до отказа; интенсивность отказов; параметр потока отказов. Долговечность определяется свойством объекта длительно (с учетом ремонтов) сохранять работоспособность в условиях эксплуатации до разрушения или другого состояния, при котором не возможна нормальная эксплуатация. Ремонтопригодность означает приспособленность машины к восстановлению ее работоспособности и поддержанию технического ресурса путем предупреждения, обнаружения и устранения неисправности и отказов. Сохраняемость подразумевает свойство сохранять эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения или транспортирования. Основные показатели технологичности распределены по шести группам: 1) по трудоемкости (изготовления изделия, изготовления по видам работ, подготовки к функционированию, ремонта); 2) по себестоимости; 3) по унификации и взаимозаменяемости (коэффициенты унификации изделия, стандартизации); 4) по расходу материала (масса, коэффициенты использования материала и применимости материала); 5) по обработке (коэффициенты точности обработки и шероховатости поверхностей); 6) по составу конструкции (коэффициенты сборности и использования в других изделиях). Уровень стандартизации и унификации характеризует насыщенность объекта стандартными и унифицированными частями. Для оценки используются два коэффициента: применяемости и повторяемости. Показатели безопасности работы и обслуживания характеризуют ряд свойств объекта, обеспечивающих активную (динамические и тормозные качества, обзорность из кабин управления, обеспеченность сигнализацией, наличие устройств блокировки), пассивную (применение безосколочных стекол, жесткость кабины, наличие защитных решеток и др.) и послеаварийную (наличие аварийного люка, возможность выхода людей) безопасность. Признаки эргономичности отражают соответствие конструкции объекта гигиеническим условиям жизнедеятельности человека, а также его антропометрическим и физиологическим свойствам. Основные показатели эстетичности: композиционная целостность формы; товарный вид, определяемый состоянием наружной отделки и др. 31 Признаки экологичности характеризуют воздействие объекта на окружающую среду, людей, животных. Показатели экологичности – уровень внешнего шума, содержание углекислого газа в продуктах сгорания топлива и др. Признаки патентной чистоты характеризуют конструкцию объекта с точки зрения патентов и свидетельств, а также товарных знаков. Условия эксплуатации, технического обслуживания и ремонта характеризуются показателями: продуктивности, качественной работоспособности, ресурсопотребляемости, транспортабельности. Наиболее существенные, по мнению конструктора, признаки включаются в техническое задание на проектирование, другие учитываются как критерии или критериальные ограничения при выборе наиболее рационального варианта и оптимальных параметров объекта. Установить признаки объекта на данной стадии еще не означает выбрать его конструктивное решение. Признаковое пространство достаточно широко для вмещения многих вариантов технического решения, хотя и определяет направление дальнейшего поиска. Для автоматизированного выполнения процедуры нужно построить полные множества целей и признаков, установить бинарные отношения между элементами этих множеств и произвести срез внутри этих отношений по выбранному подмножеству целей А0. Бинарное отношение между целями и признаками можно отразить в виде таблицы или матрицы соответствий Сi ( j ) = P1 C1(1) P2 C1( 2) Pm C1( m) a1 C2(1) C2( 2) C2( m ) a2 Cn (m) an … Cn (1) Cn ( 2) Строки матрицы соответствуют целям проектирования, а столбцы – основным признакам. В ячейках на пересечении строк и столбцов проставляются +1, -1 или 0 (+1 означает, что признак соответствует цели, а для ее достижения показатели должны быть увеличены; -1 – признак отвечает цели, показатели должны быть уменьшены; 0 – признак не отвечает цели). На основании целевого описания и матрицы соответствий можно составить концептуальное описание. Оно включает в себя: выражение потребности проектирования, цели в ранжированной последовательности и признаки, соответствующие целям: ОП2 = а0 а1 P1 , P2 ; a2 P3 , P5 ; ..., P1, P2 – признаки, соответствующие цели а1 из полного множества признаков; P3, P5 – признаки, соответствующие цели а2 . Пример. Цель на уровне заказчика при проектировании машины для разработки мерзлых грунтов – снижение себестоимости разработки грунтов – связана: с показателями надежности и технологичности, характеристиками условий эксплуатации, технического обслуживания и ремонта, показателями экономичности. 32 2.3. Стадия разработки технического предложения Техническое предложение – это совокупность конструкторских документов, разработанных на основе технического задания и содержащих описание вариантов возможных решений и оптимального среди них. Поиск вариантов решений выполняет инженер-конструктор. Однако уже на этой стадии целесообразно привлекать к работе над проектом инженеровтехнологов и художников-конструкторов. Технологи, участвуя вместе с конструкторами в выборе вариантов, заботятся о лучших предпосылках для использования рационального членения и компоновки будущей конструкции, лучших предпосылках для использования стандартных и унифицированных узлов, типовых технологических процессов и ограничении номенклатуры конструкционных материалов. Художник-конструктор формирует требования технической эстетики и эргономики, разрабатывает варианты художественно-конструкторского решения. В техническом предложении отражаются результаты исследований по проверке патентной чистоты выбранного варианта решения. В число документов технического предложения входят пояснительная записка и ведомость технического предложения. Кроме того, в него могут дополнительно включаться: чертеж общего вида или габаритный чертеж, схемы, таблицы, расчеты и патентный формуляр. Чертеж общего вида определяет конструкцию изделия и взаимодействие его составных частей и поясняет принцип работы изделия. Он включает в себя виды, разрезы изделия, надписи, текстовую часть; наименования составных частей, для которых объясняется принцип работы. Составные части изображают упрощенно. Габаритные чертежи выполняют с максимальными упрощениями, но так, чтобы были видны крайние положения перемещающихся частей. На чертеж наносят габаритные, установочные и присоединительные размеры. Схемы в зависимости от входящих в состав изделия элементов подразделяются на следующие виды, обозначаемые буквами: электрические – Э, гидравлические – Г, вакуумные – В, пневматические – П, кинематические – К, оптические – Л и т.д. В зависимости от основного назначения схемы делятся на типы, обозначаемые цифрами: структурные – 1, функциональные – 2, принципиальные (полные) – 3, соединений (монтажные) – 4 и т.д. Структурная схема определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи. Функциональная схема разъясняет процессы, протекающие в функциональных цепях изделия или в изделии в целом. Принципиальная (полная) схема определяет полный состав элементов и связей между ними и дает детальное представление о принципах работы изделия. Исходя из содержания технического предложения, выделены три основные процедуры: поиск вариантов технических решений с разработкой функциональных и структурных моделей объекта проектирования, выбор оптимального варианта и анализ принятого варианта решения. 2.3.1. Поиск вариантов технического решения На входе процедура поиска возможных решений имеет цели проектирования и основные признаки. А выходом ее должны стать варианты 33 достижения поставленных целей, т.е. варианты проектируемого объекта. Этап проектирования в наибольшей степени носит творческий характер, когда наглядно проявляются способности конструктора к изобретательству. Разгадка механизма творчества – неотъемлемое условие создания искусственного интеллекта. На заре технического творчества поиск конструктивного решения всецело относился к области искусства. В настоящее время этот процесс все ближе примыкает к науке. Использование систематизированных и обобщенных знаний в поиске технических решений – характерная черта современного проектирования. Знания нужны не для того, чтобы освободить человека от творчества, а для того, чтобы сделать это творчество более целенаправленным. Стремление к сокращению сроков проектирования не позволяет надеяться на спонтанное озарение, его нужно стимулировать. Нередки случаи, когда наиболее удачный вариант технического решения возникает в конце разработки и уже не может быть использован. Известные в настоящее время методы поиска технического решения по степени формализации делят на три группы: 1) неформализованные эвристические приемы и методы, состоящие из набора эвристик (для неструктурированных задач); 2) частично формализованные эвристические методы (для слабоструктурированных задач); 3) полностью формализованные приемы – алгоритмы. Названные группы отличаются по численности входящих в них приемов и методов. Наиболее многочисленна первая группа. Она включает в себя как общие (инвариантные) методы, применимые к любым объектам, так и частичные, относящиеся к определенному классу технических систем и их элементов. Полностью формализованные методы (алгоритмы) составляют самую малочисленную группу и относятся лишь к конкретным объектам техники. Однако с развитием методики проектирования все большее число методов переходит из первой группы во вторую и из второй в третью. Автоматизированное проектирование строится на второй группе методов, а автоматическое – на третьей. Эвристические методы рождаются в результате анализа уже выполненных проектных разработок. Некоторые из них являются сугубо индивидуальными, связанными с образом мышления конкретной личности. Передаваемые от учителя к ученикам, они зачастую не приносят последним тех результатов, которых добился учитель. Другие приемы и методы, несомненно, полезны всем, помогают преодолеть инерцию мышления, служат ориентирами в поиске решений. Примерами первой группы являются эвристические приемы, метод гирлянд ассоциаций, метод мозгового штурма, синектика, метод идеального объекта. Эвристические приемы. Они указывают на то, как преобразовать имеющееся техническое решение для получения искомого, т.е. имеется некоторый объект (прототип), к которому применяется преобразование (эвристический прием), после чего полученный результат сравнивается с целевым. Большинство приемов включает в себя две части. Первая отвечает на вопрос «Что изменить?», вторая – «Как изменить?». Первая часть может содержать несколько переменных, а вторая – несколько способов их изменения. Поэтому приемы зачастую содержат несколько поисковых шагов. Известно более двухсот эвристических приемов, в том числе «от целого к частному», аналогии, элементарные вопросы и др. При поиске технических решений, используя эвристические приемы, следует: 1) уяснить цели проектирования, изложенные в техническом задании, и составить список признаков искомого технического решения; 2) выбрать из известных 34 технических решений (если решение не задано) один или несколько прототипов, в наибольшей степени отвечающих списку признаков; 3) проанализировать прототипы, выявив несоответствие их признаков искомому решению; 4) в соответствии с признаками, подлежащими изменению, выбрать наиболее подходящий прием. Метод гирлянд ассоциаций. В некоторых случаях, когда цель проектирования определяет единственный признак объекта – новизну, можно воспользоваться методом гирлянд ассоциаций. Для этого объекту подбирают синонимы (если это возможно), а затем случайным образом называют другие объекты и составляют комбинации из тех и других. Каждую пару объектов дополняют тем или иным признаком случайного объекта или ассоциациями, которые они вызывают. Основной смысл заключается в том, чтобы «расшатать» устоявшееся представление об объекте. Конечно же, подавляющее большинство комбинаций – объект (синоним), признаки и ассоциации – окажутся абсурдными. Однако на практике 10 – 15 % комбинаций представляют интересные идеи. Мозговой штурм. Метод позволяет организовать коллективную работу конструкторов. Руководитель (главный конструктор) собирает группу специалистов, как правило, не более 10 человек, и ставит перед ними задачу поиска технических решений, удовлетворяющих определенным признакам. Каждый участник сеанса мозгового штурма, продолжающегося не более одного часа, может высказать любые идеи. Анализ и критика их во время сеанса не допускается. Основной девиз – чем больше идей, тем лучше. Если в ходе сеанса высказано мало идей, то он может быть повторен, возможно, с другим составом специалистов. Все высказывания стенографируются или записываются на магнитную ленту. Синектика. Метод подобен мозговому штурму, но отличается от него тем, что основная его задача сводится к детальному обсуждению одного-двух вариантов технических решений. В группу участников обсуждения включаются специалисты различных профессий. Метод идеального объекта. Прежде чем отыскать идеальное техническое решение, рекомендуется пофантазировать, представить себе «идеальное» решение поставленной задачи. Скажем, для перемещения предложить ковер-самолет. Конечно, полет фантазии должен быть ограничен пределами осуществимого. Выбрав идеальный объект или способ удовлетворения потребности, в дальнейшем надлежит установить препятствия к его реализации. На борьбе с этими препятствиями и следует построить поиск технических решений. Изложенный метод, несомненно, организует поиск. Однако представление идеального способа достижения цели в некоторых случаях и составляет основную трудность. Морфологический анализ. Как было отмечено, рассмотренные до сих пор приемы и методы относятся к первой группе по степени формализации. Морфологический анализ включает в себя операции, выполняемые алгоритмически, и, следовательно, принадлежит ко второй группе. Сущность его состоит в расчленении общей функции проектируемого объекта на частные и в отыскании возможных способов их выполнения. То или иное сочетание способов выполнения всех частных функций и составляет вариант технического решения. Конечно, некоторые варианты абсурдны, многие средства выполнения частных функций несовместимы. Однако обычно представление удается «сломать», появляются интересные варианты. Результаты разработки вариантов проектируемого объекта удобно представить в виде табл. 2.1. 35 Разработка вариантов технического решения Частная функция Y1 Дробление грунта U11 U12 фреза шнек U13 бур 1 Таблица 2.1 Частная функция Y2 Механизм передвижения U 21 U22 гусеница 1 1 колеса U23 буксир 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Общая функция Y Вариант решения X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 В таблице указываются общая и частные функции, а также средства выполнения частных функций Uij, Xm – элемент множества технических решений. Единицы в ячейках на пересечении строк и столбцов таблицы означают использование того или иного средства для выполнения частной функции в данном варианте технического решения. Количество вариантов равно произведению количества частных функций, для нашего примера – 9. Для найденных вариантов решения разрабатываются схемы. 2.3.2. Функциональная и структурная схемы объекта проектирования Функциональная схема включает в себя множество признаков, определяющих взаимодействие системы со средой и правило упорядочения смены состояний в ходе достижения цели. Во всяком техническом устройстве имеется связь между причиной и действием, т.е. существует как минимум одна входная и выходная величина. Связь между ними зависит Wвых Wвх от ряда постоянных структурных и управляющих величин. На этой основе любое техническое решение может быть представлено схемой, привеP( к ) денной на рис. 2.2. На ней прямоугольниками обозначены функциональные элементы, стрелками – множества: Wвх – входных величин, Wвых – выходных величин, Р(к) – постоянных структурZ ( у) ных величин, Z(у) – управляющих величин. ВыдеРис. 2.2. Функциональ- лив частные функции, можно построить дифференцированную функциональную схему. ная схема любого техСтруктурное описание объекта строится по нического объекта функциональному описанию и включает в себя множество связей между элементами. Элементы и множество связей между ними и их признаками могут быть представлены в форме графа, носящего название ИИЛИ дерева (рис.2.3). 36 Рабочее оборудование экскаватора без уширителя с уширителем режущие цепи шнековый уширитель … скребки … ковш режущая часть транспортирующая часть рама режущие устройства цепи режущая кромка стенки Рис. 2.3. И-ИЛИ дерево технических решений И-ИЛИ дерево способно хранить в компактном виде информацию о множестве всех технических решений, относящихся как к объекту в целом, так и к его функциональным элементам. Альтернативные функциональные элементы могут быть представлены в дереве своими конструктивными признаками. На рис. 2.3 вершины И помечены темными кружочками, а вершины ИЛИ – светлыми. Построение дерева технических решений – трудоемкий процесс. Поэтому можно ограничить исходное множество только наиболее перспективными техническими решениями, обладающими к тому же наиболее высокими техникоэкономическими показателями. В дальнейшем расширение множества может осуществляться с использованием различных источников, включая авторские свидетельства и патенты. Однако дерево несет информацию лишь о структуре технических решений и об их конструктивных признаках. Этого недостаточно для выбора вариантов, отвечающих другим элементам множества признаков из концептуального описания. Поэтому дерево нужно дополнить средством формального отражения отношений на множествах технических решений, их функций и признаков. Воспользуемся для этого матрицей соответствия. В строках матрицы соответствия (табл. 2.2) представлены функциональные элементы, в столбцах – признаки из полного их множества. Матрица соответствий Техническое решение в виде функционального элемента е1 е2 еm Таблица 2.2 Признак Рi P1 P2 P3 -1 1 1 1 1 -1 … Pn -1 1 Матрица определена на множестве значений +1, 0, -1. +1 означает, что техническое решение функционального элемента улучшает соответствующий при37 знак;0 – техническое решение не характеризуется данным признаком; -1 – решение ухудшает признак. Рассмотренное дерево технических решений, матрица соответствий, концептуальное, функциональное и структурное описание объекта представляют необходимые данные для выработки вариантов объекта проектирования. 2.3.3. Выбор оптимального варианта технического решения Переходя к процедуре принятия решения, конструктор располагает некоторыми вариантами технического решения. Теперь ему нужно выбрать лучший из них. С подобными задачами встречаются не только при проектировании. Выбор того или иного действия из множества вариантов – ситуация, свойственная любой деятельности человека. В каждом случае ему нужно вначале дать оценку вариантам, затем эти оценки сравнить и только после этого выбрать вариант с наивысшей оценкой. Эта процедура заключается в отображении множества вариантов технического решения на множество оценок и выборе оптимального из них: F : X 0 V   opt . Выполнить процедуру принятия решения было бы просто, если бы все варианты можно было измерить по одной шкале. Однако в действительности каждый вариант характеризуется многими измерениями. Кроме того, не всегда можно воспользоваться абсолютной шкалой. Варианты технического решения представлены пока лишь функциональной и структурной схемой, а дать количественную оценку даже таким свойствам объекта, как масса, производительность, стоимость, сложно. Еще сложнее обстоит дело с оценкой надежности, эргономичности, эстетичности. Попытка уточнить количественные оценки по варианту технического решения приведет, по существу, к последующей его разработке, а это связано с трудовыми и временными расходами. Вот и приходится принимать решение в условиях неопределенности. И это еще не все. Сравнивать варианты зачастую приходится по многим их признакам, т.е. пользоваться несколькими шкалами. Причем по одной шкале лучшими оказываются одни варианты, а по другой – иные. И еще одно обстоятельство. Признаки, используемые для сравнения, неравнозначны: одни более важны, другие менее. Некоторые из них противоречивы. Рассмотрим теперь общую постановку решаемой задачи: 1. Каждый вариант решения характеризуется параметрами Pj ; j  1, ..., n . 2. Оценка вариантов производится по совокупности критериев: v  vi ; i  1, m . 3. В качестве критериев выбираются признаки, отвечающие наиболее важным целям проектирования. В такой постановке задача принятия решения примыкает к задачам многокритериальной оптимизации. Особенность таких задач состоит в том, что одновременное достижение оптимума по всем критериям практически невозможно. Приходится идти на компромисс, т.е. на соглашение, достигнутое путем взаимных уступок. В одних случаях он просто связан с уравниванием критериев, в других – с выбором из них главного. Компромисс упрощает решение задачи, сводя ее в некоторых случаях к однокритериальной. Схемы компромиссов могут строиться на основе следующих принципов: равномерности, справедливой уступки, выделения главного критерия, последовательной уступки. 38 Принцип равномерности может требовать: 1) равенства всех критериев; 2) «подтягивания» наихудшего из критериев; 3) квазиравенства критериев, т.е. равенства с допустимой погрешностью. Принцип справедливой уступки требует или абсолютной, или относительной уступки. Абсолютная уступка считается справедливой, если суммарный абсолютный уровень снижения величины одного или нескольких критериев не превосходит суммарного абсолютного уровня повышения величины других. При относительной уступке оперируют относительными величинами, являющимися безразмерными, которые определяют путем деления значения критерия на заданное или желаемое значение. Относительная уступка обеспечивает справедливый компромисс, если суммарный относительный уровень снижения качества по одному или нескольким критериям не превосходит суммарного относительного уровня повышения качества по остальным критериям. Принцип выделения главного критерия сводит многокритериальную задачу к однокритериальной. Оптимизация происходит по главному критерию, на все остальные накладываются ограничения. Принцип последовательной уступки позволяет отыскать оптимальное решение, отвечающее достижению максимума по всем критериям, размещаемым в ранжированной последовательности по степени их важности. Отыскание оптимального решения начинается с учета первого по важности критерия. Затем с учетом практических соображений и точности, с которой заданы исходные данные, назначается «уступка» по первому критерию vi . В пределах 1 и 1  v1 ( 1 – максимально возможное значение v1 ) находится решение, отвечающее максимуму по второму критерию. Дальнейшие шаги состоят в «уступке» по второму и следующим критериям. В итоге находится компромиссное решение, у которого все критерии достигают максимума или находятся вблизи него, не выходя за пределы, установленные «уступкой» области. Решение многокритериальной задачи осложняется различием единиц измерения критериев. Исключение составляет принятие решения на основе принципа суммарной относительной уступки, где оперируют с относительными величинами, являющимися безразмерными. Во всех других случаях стремятся нормализовать критерии, что также связано с переходом к относительным показателям. Нормализованный вектор критериев имеет безразмерные компоненты, получаемые путем деления компонент рассматриваемого вектора на соответствующие компоненты некоторого идеального вектора: v  V н  viн   иi ; i  1, k ,  vi  где V н –нормализованный вектор критериев: viи –компоненты идеального вектора. «Идеальный» вектор критериев может составляться по заданным или желаемым значениям его компонент: V и  V з  viз ; i  1, k ,    где viз – заданное значение компонент. За компоненты идеального вектора могут быть также приняты их возможные максимальные значения 39   V и  max vi ; i  1, k Как уже отмечалось, одной из основных проблем решения многокритериальной задачи является проблема приоритета критериев. На первом этапе критерии можно разместить в ряд по степени их важности. На основании ряда строится вектор приоритета Сn (C1, C2, …, Ck), компоненты которого означают степень превосходства двух соседних критериев. При построении вектора приоритета используют шкалу интервалов; удобно начинать с последней компоненты Ck, приравняв ее к единице (все остальные компоненты оказываются равными единице или большими). По вектору приоритета строится весовой вектор. Компоненты его удовлетворяют условию 0   i  1; i  1, k ;  k i1  i  1. k Компоненты весового вектора находятся по формуле  i  Сi  Сi . i 1 Выбор оптимального решения в условиях многокритериальной задачи удобнее всего производить с использованием матрицы решений на основе компромисса, построенного по принципу справедливой уступки (табл. 2.3). Матрица решений Вариант 1 ,  1 X1 10 (10 1 ) Критерий и его вес … 2 , 2 k , k Таблица 2.3 Комплексная оценка Место k  i i i 1  2 ( 2  2 ) …  k ( k  k ) X2 X3  Xm Примечание:  i – оценка варианта по критерию  i (в скобках произведение оценки по крите0 рию  i на его вес  i ). Оценку вариантов можно выполнять попарным сравнением. Для этого все варианты рассматриваются последовательно по каждому критерию. Вначале отыскивается лучший вариант. Ему приписывается оценка 10. Затем с ним сравниваются все остальные: {1, 2, …, 10}. Проще всего производить сравнение, когда параметры вариантов имеют численное значение. Когда же этого нет, следует руководствоваться опытом и интуицией. Для более обоснованных оценок можно воспользоваться экспертным методом. Оптимальным вариантом решения будет тот, который отвечает условию: k X  max   i  i , i 1 Пример определения оптимального варианта решения. 1. Построение векторов критериев для рассматриваемых вариантов решения. В качестве критериев принимаются наиболее важные признаки. Признаки представляются так, что большие значения соответствуют лучшим решениям. 40 V={vi}={V1, V2, V3}, V1 – надежность, V2 – технологичность, V3 – экологичность. Приведем решение задачи для двух вариантов решения. VI={ 100, 10, 13} VII= {120, 8, 15} 2. Нормализация критериев для всех вариантов. Нормализованный вектор критериев имеет безразмерные компоненты, получаемые путем деления компонент рассматриваемого вектора на соответствующие компоненты некоторого идеального вектора: v  V н  viн   иi ; i  1, k ,  vi  где V н –нормализованный вектор критериев: viи –компоненты идеального вектора. «Идеальный» вектор критериев может составляться по заданным или желаемым значениям его компонент:    V и  viз  {120, 10, 15}.   100 10 13  V H  v н  120 , 8 , 15 ; H н V  v  , , ; II   i Тогда I  i 120 10 15  120 10 15  3. Строится вектор приоритета Сn={C1, C2, …, C}, компоненты которого означают степень превосходства двух соседних критериев. Последней компоненты Ck, приравняв ее к единице (все остальные компоненты оказываются равными единице или большими). Сn={1,5, 1,2, 1} 4. По вектору приоритета строится весовой вектор. Компоненты его удовлетворяют условию 0   i  1; i  1, k ;  k i1  i  1.   k Компоненты весового вектора находятся по формуле k  Сi .  1,5  1,2  1  3,7; i  Сi  Сi . i 1 1,5 1,2 1 , , } i 1 3,7 3,7 3,7 5.Выбор оптимального решения в условиях многокритериальной задачи с использованием матрицы решений Вариант 1 .  1   {i }  { Матрица решений Критерий и его вес  3 . 3 2 . 2 Комплексная оценка k  i i Место i 1 X1 X2 100 1,5  120 3,7 120 1,5  120 3,7 10 1,2  10 3,7 8 1,2  10 3,7 13 1  15 3,7 15 1  15 3,7 41 0,89 2 0,93 1 Оптимальным вариантом решения будет тот, который отвечает условию: k X  max   i  i . . Для рассматриваемого примера оптимальный вариант решения i 1 k – вариант Х2 ,   i i  0,93 . i 1 2.3.4 Процедура анализа принятого решения Процедура анализа принятого решения на стадии разработки технических предложений проводится в целях получения необходимой информации об объекте проектирования. К моменту выполнения процедуры составлены функциональное и структурное описания. В ходе анализа проверяются работоспособность объекта, особенности его взаимодействия с факторами окружения, взаимосвязи составляющих подсистем и элементов. В настоящее время существует целый арсенал методов анализа. Разобьем их условно на два вида:  эвристические;  экспериментальные. Эвристические – «добывают» ту или иную информацию на основе преобразований чувственно-образных моделей, возникающих в сознании человека. Значительную роль здесь играют воображение и интуиция. Опытный конструктор, длительное время работающий в той или иной области техники, способен предсказать поведение объекта в тех или иных ситуациях. Эвристические методы включают в себя и мозговой штурм, и синектику. Экспериментальные методы связаны с испытанием моделей или натурного образца. Модели могут быть математическими, вещественными (материальными). Различают три уровня математической модели (ММ) объекта проектирования: микро-, макро- и метауровень. Анализ принятого варианта технического решения на микроуровне Микроуровень – иерархический уровень в описаниях объектов, характерной особенностью которого является рассмотрение физических процессов в сплошных средах и непрерывном времени. Сплошная среда – это элемент или деталь проектируемого объекта. Типичные математические модели на микроуровне – дифференциальные уравнения в частных производных с заданными краевыми условиями, т.е. совокупностью граничных и начальных условий для исследуемых непрерывных функций. Граничные условия выражают сведения на границах области определения функции, а начальные задают значения функции в начальный момент времени. Система уравнений, как правило, известна. Примерами могут быть уравнения Ламе для механики упругих сред, уравнения Навье – Стокса для гидравлики, уравнения теплопроводности для термодинамики. С помощью этих уравнений рассчитываются, т.е. являются объектом анализа, поля напряжений и деформаций в деталях металлических конструкций, электрического потенциала в электронных приборах, температуры и давления в рабочей полости турбины и т.п. Применение ММ в виде ДУЧП возможно только для отдельных деталей, поэтому первая задача, возникающая при моделировании, состоит в построении приближенной модели. 42 Пример. Важная задача – определение прочности узлов и элементов при нагружении. Напряженное состояние деталей конструкции в зависимости от геометрии, вида нагрузки и материала описывается в общем виде уравнением, являющемся математической моделью                К z Кх    К y   Q  0, x  x  y  y  z  z  где х, y, z – пространственные координаты;  – искомая непрерывная функция, определяющая напряжение при заданной координате; Кх, Ку, Кz – коэффициенты; Q – внешнее воздействие. Нахождение функции φ прямым интегрированием удается не всегда, поэтому используется метод инженерного анализа, называемый методом конечных элементов. Объект разбивается на большое число элементов конечных размеров (обычно прямоугольников или треугольников), образующих связную сеть узлов концентрации напряжений. Используя ЭВМ, можно проанализировать свойства целостного объекта: возникающие механические усилия, передачу тепла и другие характеристики, исследуя поведение каждого отдельного элемента. Оценка поведения целостного объекта производится на основе определения взаимосвязанного поведения всех его элементов. В некоторых САПР имеется возможность автоматического выделения узлов и получения сетевой структуры объекта. Пользователь задает параметры модели, а система самостоятельно произведет все нужные вычисления. Результат анализа по методу конечных элементов лучше всего отображается в графической форме на экране дисплея и легко воспринимается пользователем благодаря наглядности (рис. 2.4 – расчет деформаций в системе Ansys). Рис.2.4. Эквивалентные деформации в конструкции 43 Анализ технического решения на макроуровне Макроуровень – иерархический уровень в описаниях объектов, рассматривающий физические процессы, протекающие в непрерывном времени, но дискретизированном (раздельном, прерывном) пространстве. На этом уровне в качестве компонентов при проектировании объектов машиностроения фигурируют сборочные единицы, а их элементарными частями считаются детали, рассматриваемые на микроуровне. Состояние компонентов макроуровня характеризуется фазовыми переменными. Фазовая переменная – величина, характеризующая физическое или информационное состояние компонента или объекта в целом. Примерами фазовых переменных могут служить электрические напряжения и токи, механические напряжения и деформации, силы и скорости, температуры, давления, расходы и т.п. На макроуровне фазовыми переменными являются переменные, относящиеся к внешним выводам компонентов. Конкретный смысл этих переменных для различных компонентов (подсистем) показан в табл. 2.4. Фазовые переменные компонентов Фазовые переменные Подсистема типа потипа потока тенциала ЭлектричеТок Напряжеская ние МеханичеСила Скорость ская поступательная МеханичеМомент Угловая ская вращаскорость тельная ГидравлиРасход Давление ческая (пневматическая) Тепловая Тепловой Темперапоток тура Таблица 2.4 типа R Сопротивление Компоненты типа С типа L Емкость Индуктивность Масса Упругость Трение Момент инерции Вращательная гибкость Трение Гидравлическая емкость Гидравлическая индуктивность Трение Теплосопротивление Теплоемкость На компоненте типа R происходит преобразование энергии, на компонентах типа C и L накапливается потенциальная или кинетическая энергия. Математической моделью (ММ) объекта на макроуровне является система обыкновенных дифференциальных уравнений с заданными начальными условиями. В основе ММ лежат компонентные уравнения отдельных элементов (компонентов) и топологические уравнения. Компонентные уравнения – уравнения ММ элементов на макроуровне. Эти уравнения связывают разнотипные фазовые переменные. Для простых элементов компонентные уравнения имеют одну из следующих форм: U  aI , I  adU / dt , U  adI / dt , где а – параметр элемента; I, U – соответственно фазовые переменные типа потока и типа потенциала. ММ компонента – система уравнений, в общем случае нелинейных, связывающих разнотипные фазовые переменные, характеризующие состояние компонента. 44 Топологические уравнения – уравнения, связывающие однотипные фазовые переменные различных компонентов. Примерами топологических уравнений в электрических системах являются уравнения законов Кирхгофа, в механических системах - уравнения, выражающие принципы Даламбера и сложения скоростей. Для построения ММ на макроуровне используется метод на основе эквивалентных схем. Эквивалентная схема отражает наиболее общие закономерности процессов, происходящих в подсистемах независимо от физической природы. Метод предполагает, прежде всего, выделение подсистем. Эта неформальная операция выполняется конструктором. При этом он руководствуется следующими основными принципами: 1. Каждая выделяемая подсистема должна быть физически однородной (механической, электрической, гидравлической, тепловой и др.). 2. Состояние подсистемы описывается множеством фазовых переменных, относящихся к переменным потока или потенциала. Множество фазовых переменных для каждой подсистемы конечно. В этом проявляется дискретизация пространства при переходе к макроуровню. 3. Структура подсистемы – множество элементов и связей между ними. Эти элементы отражаются на графе соответственно вершинами и ребрами. Компоненты подсистемы могут быть простыми и сложными. Простые представляются на графе одним ребром, сложные – двумя и более. Каждое ребро характеризуется двумя фазовыми переменными типа потока Ij и типа потенциала Uj ( j – номер ребра). Каждый узел, связывающий ребра, характеризуется одной фазовой переменной типа потенциала j ( j – номер узла). Для ребра между узлаU j  a  в . ми а и в 4. Свойства компонента выражаются взаимозависимостью между фазовыми переменными и представляются компонентными уравнениями. 5. Математическая модель выражается системой компонентных и топологических уравнений. Для представления свойств компонентов и их связей используются обыкновенные дифференциальные уравнения. Форма их с точностью до обозначений физических величин совпадает с формой уравнений для компонентов с различной физической природой. В этом проявляется аналогия, свойственная природе. Использование этой закономерности позволяет создать инвариантную (неизменяющуюся) методику построения ММ компонентов. Для электрических систем основными фазовыми переменными являются токи и напряжения. В качестве элементов выступают резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, источники тока и напряжения, трансформаторы и др. Компонентные уравнения: U  RI ; I  C dU / dt ; U  LdI / dt  , где I – ток, U – напряжение, R – сопротивление, C – емкость, L – индуктивность. Топологические уравнения относительно узлов и контуров строятся на основе уравнений Кирхгофа. Так, по второму закону Кирхгофа для любого узла  I k  0 , а для контура U i  0 . k i Для механических систем с поступательным движением основными элементами являются: масса (отображение свойства инерционности), гибкость (свойство упругости), механическое сопротивление (потеря механической энергии на 45 трение). Фазовые переменные: сила и скорость либо сила и перемещение. Компонентные уравнения для массы и гибкости (пружина, стержень) соответственно: F  dmV  / dt , P  EЮ l / l  , где m – масса элементарного участка; F – сила; V – скорость; P – механическое напряжение, действующее в продольном направлении; ЕЮ – модуль упругости (модуль Юнга); l – размер элемента в продольном направлении; l – изменение размера под воздействием напряжения. Топологические уравнения отражают принцип Даламбера (аналог первого закона Кирхгофа)  Fk  0 теорему о слоk жении скоростей Vi  0 , i  1,3 , где Fk – силы, действующие на тело; V1, V2, V3 i - соответственно абсолютная, относительная и переносная скорость. Эквивалентные схемы помимо структуры отражают физическую сущность отдельных элементов. Их характерные особенности: 1. Эквивалентная схема состоит из множества ветвей и узлов. 2. Каждая ветвь относится к одному из пяти возможных типов (рис.2.5). 1 2 3 4 5 Рис. 2.5. Типы ветвей на эквивалентных схемах: 1 – емкость; 2 – индуктивность; 3 – сопротивление; 4 – источник напряжения; 5 – источник тока 3. Каждой ветви соответствует компонентное уравнение: 1) I  C (du / dt ) , где I – фазовая переменная типа тока; и – фазовая переменная типа напряжения; C – емкость; 2) U  L(dI / dt ) , где L – индуктивность; 3) U = RI, где R – сопротивление. 4) U  f1 (V , t ) , где V – вектор фазовых переменных; t – время; 5) I  f 2 (V , t ) . Каждому узлу соответствует значение фазовой переменной типа потенциала, а каждой ветви – значение фазовых переменных I и U. Пример. На рис.2.6 представлена кинематическая поступательная пара, состоящая из двух тел. На систему действуют следующие силы: P – движущая; F – трения; G – тяжести; Pи – инерции. Движение тела 1 относительно оси 0Х происходит под действием сил Р, Ри, F. Граф системы изображен на рис. 2.6, б, где узлы 1 и 2 представляют взаимодействующие тела, а ребра – силы. На эквивалентной схеме (рис. 2.6, в) каждое ребро графа представлено ветвью, тип которой раскрывает физическую сущность действующих сил. Так, 46 внешняя сила Р, приложенная к телу 1, представлена ветвью источника потока, сила трения – сопротивлением, а сила инерции тела массой m – емкостью. Рассмотрим два типа программных средств, используемых на макроуровне для механических систем с целью решения задач:  анализа свойств масс;  кинематического анализа. У 1 P 1 1 F Х и F mm mm mm P F G Р 2 Р Р Pи F m 2 2 а б в Рис. 2.6. Схемы поступательной пары: а – кинематическая схема; б – граф пары; в – эквивалентная схема Первый тип задач получил в рамках САПР наибольшее распространение. Программные средства для решения этих задач позволяют использовать такие свойства объектов, как площадь поверхности, масса, объем, центр тяжести и момент инерции. Применительно к плоским поверхностям (или поперечным сечениям твердых тел) соответствующие расчеты включают в себя вычисления площади, инерционных свойств. Второй тип задач – это задачи кинематического анализа с целью проверки взаимного расположения компонентов. Эта процедура связана с контролем местоположения элементов компоновочного узла, так как существует риск установки их на места, уже занятые другими компонентами. Одно из наиболее интересных средств такого контроля – это кинематические модели. Программы по кинематике обеспечивают возможность динамического воспроизведения движения проектируемых механизмов. Наличие таких средств анализа расширяет возможности конструктора в части визуального наблюдения за работой механизма и помогает гарантировать отсутствие столкновений с другими объектами. Анализ технического решения на метауровне На метауровне объект проектирования рассматривается как сложная система, взаимодействующая с факторами окружения. Для построения ММ в данном случае используются: теории автоматического управления и массового обслуживания, методы планирования эксперимента, теория конечных автоматов, математическая логика, теория множеств, имитационное моделирование. На стадии разработки технических предложений при проектировании сложных систем модель отражает взаимодействие основных подсистем друг с другом и с окружающей средой. Таким образом, ММ на данной стадии соответствует мета- и макроуровням. 47 Создавая новый образец техники, конструктор должен позаботиться о его жизнеобеспечении. Таким образом, удовлетворение той или иной потребности общества, выраженной в заявке на проектирование, достигается не только самим новым изделием, но и целым комплексом технических средств (КТС), включая средства эксплуатации и ремонта. Подход, связанный с представлением объекта проектирования как средства для удовлетворения определенной заявки на обслуживание потребностей общества, предопределяет метод математического моделирования. В его основу должна быть положена теория массового обслуживания. Предмет теории массового обслуживания – построение ММ, связывающих заданные условия работы системы массового обслуживания (СМО) с интересующими нас характеристиками – показателями эффективности СМО, ее способность справляться с потоком заявок (или требований). Рассмотрим основные положения теории массового обслуживания: 1. Совокупность технических устройств, машин, аппаратов, сооружений или их комплексов, предназначенных для выполнения полного набора однотипных работ, называется обслуживающей системой. 2. Каждая отдельная работа, требуемая от ОС, называется требованием на обслуживание. 3. Требования характеризуются совокупностью признаков и их значениями. 4. Совокупность требований, подлежащих обработке в течение определенного промежутка времени, называется заявкой на обслуживание. 5. Требования, распределенные во времени, образуют поток. 6. Критерием оптимальности комплекса технических средств или его самостоятельно функционирующих узлов является сумма собственных затрат на проектирование, производство и эксплуатацию соответствующего объекта. 7. Критерием эффективности называют отношение доходов, полученных в процессе эксплуатации системы обслуживания, КТС или изделия, к затратам на проектирование, производство и эксплуатацию соответствующего объекта. Стоимость всего изделия выражается через стоимость его комплектующих, но ее можно рассматривать и как величину затрат на достижение заданного значения вектора выходных параметров. Зависимость между техническими параметрами КТС и его стоимостью теоретически установить весьма затруднительно. Однако можно использовать предшествующий опыт создания КТС, собрав и отобрав статистику. Системы массового обслуживания удобны для представления стохастических (случайных, вероятностных) систем с непрерывным временем. Конечные автоматы удобны для описания любых детерминированных систем (не учитывающих случайные факторы), функционирующих в дискретном времени. Конечным автоматом может считаться объект, который имеет конечное множество состояний. В каждый момент времени на вход автомата подается входной сигнал из конечного множества возможных сигналов. Объект под воздействием входного сигнала переходит в новое состояние и выдает определенный выходной сигнал. Вероятностные автоматы дают возможность описать элементы стохастических систем с дискретным временем. Имитационное моделирование как один из методов анализа применяется в тех случаях, когда сложно или просто невозможно использовать другие виды анализа и нужно проследить за ходом протекающих процессов, а постановка эксперимента на вещественной модели по каким-либо причинам невозможна. В таких 48 случаях с помощью ЭВМ получают различные варианты структур, имитирующих реальную ситуацию, и, изменяя параметры системы, делают выводы о последствиях этого изменения, стремясь глубже понять моделированное явление. 2.4. Стадия разработки эскизного проекта Эскизный проект представляет собой совокупность конструкторских документов, отражающих принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также об его основных параметрах и габаритных размерах. Технические решения, представленные на этапе разработки технических предложений в виде принципиальных и структурных схем, теперь должны получить конструктивное решение. Это решение связано с общей компоновкой. Исходя из основного содержания эскизного проекта, предусматривают две процедуры: выбор оптимальных параметров и компоновку изделия. Компоновка объекта проектирования выполняется с учетом технологичности и эстетичности. Технологичность учитывается: при выявлении составных частей, которые могут быть стандартными или заимствованными, а также условий сборки, технического обслуживания изделия; при подготовке производства и определении основных данных для технологической подготовки производства; при установлении номенклатуры используемых конструкционных материалов. На стадии эскизного проекта продолжается поиск патентоспособных решений, которые могут появиться в ходе компоновки объекта, оформляются заявки на изобретение как по устройству, так и по промышленному образцу, выявляются страны или фирмы-потребители объекта, разрабатываются предложения о патентовании изобретений за границей. В число обязательных документов на стадии эскизного проекта входят: пояснительная записка и ведомость эскизного проекта. Дополнительно могут составляться: чертеж общего вида, габаритный чертеж, теоретический чертеж, ведомость покупных изделий, ведомость согласования применения покупных изделий, программа и методика испытаний, расчеты, таблицы, патентный формуляр. 2.4.1. Выбор параметров объекта проектирования Выбор параметров объекта выделен в специальную процедуру проектирования в связи с его большой важностью. При сравнении вариантов уже использовались оценки параметров. Однако тогда нас интересовали их относительные значения. На данном этапе необходимо установить их абсолютные величины. Параметры по значимости неравнозначны. В разделе анализа было выведено понятие определяющих параметров системы. К ним отнесены главный и основные параметры. Под главным понимают параметр, наиболее полно отражающий потребительские свойства объекта. В качестве его наиболее часто выступают величины, связанные с размером рабочего органа, мощностью двигателя, силой тяги, массой, грузоподъемностью. Основные параметры дополняют главный и находятся с ним в тесной взаимосвязи. Это – параметры надежности, экономичности, безопасности работы и др. В практике проектирования приходится сталкиваться с двумя типами задач выбора параметров. Первый тип задач возникает тогда, когда у проектируемого 49 объекта есть аналог. Само проектирование может состоять в совершенствовании технического устройства, и тогда изменяются не все параметры, а лишь те, которые связаны с этим совершенствованием. Такое проектирование ведется непрерывно вместе с выпуском серийной продукции. К этому же типу можно отнести задачи, возникающие при проектировании объекта внутри параметрического ряда. В этом случае ранее созданные объекты рассматриваются как модели и на основе теории подобия выбираются параметры нового типоразмера. Второй тип задач возникает при проектировании принципиально новых объектов, когда нет какой-либо информации о поведении аналогичных систем. Остановимся вначале на выборе параметров объекта внутри параметрического ряда. Выбор параметров объекта внутри параметрического ряда. Под параметрическим рядом понимают множество изделий, имеющих одинаковые потребительские свойства и отличающихся друг от друга по главному параметру. Для многих машин типоразмеры определены стандартом. В нем указываются главный и некоторые основные параметры. Для выбора параметров, не определенных стандартом, можно воспользоваться обработкой статистических данных по однотипным машинам. Для восстановления взаимосвязи параметров удобен метод корреляционного анализа. Параметр объекта рассматривается как случайная величина, а степень тесноты линейной зависимости между парами случайных величин определяет коэффициент корреляции rxy  К xy /  x  y , где К ху – корреляционный момент величин х, у, представляющий собой математическое ожидание произведения центрированных величин (х – mх) и (у – mу) (при этом mх и mу – соответственно математические ожидания случайных величин х и у);  х ,  y – средние квадратические отклонения величин х, у. Чем ближе rху к единице, тем теснее линейная связь между случайными величинами. Обычно устанавливают корреляционную связь между главным и основными параметрами. Приведем ход исследований при корреляционном анализе: 1) числовые значения каждой пары случайных величин (по каждому типоразмеру машины) представляются графически в виде поля точек; 2) определяют коэффициент корреляции, по которому судят о степени тесноты линейной зависимости случайных величин; 3) находят уравнения регрессии – функциональные соотношения пары случайных величин, – которые позволяют для произвольно заданных значений одной величины определить значения другой величины; 4) строят границы возможных отклонений. Выбор параметров объекта, не имеющих аналогов. Решение задачи проводится в два этапа: построение математической модели проектируемого объекта и вычисление оптимальных значений параметров. Математическая модель выражается зависимостью между параметрами. Она может быть установлена на основе физического моделирования, выполненного на предыдущей стадии. Для построения ММ объект представляют в виде системы, на входе которой элементы характеризуют условия эксплуатации, а на выходе – готовый продукт. Вход и выход системы представляют в виде множеств: Ру.э   у.э1 ,  у.э 2 , ...,  у.э n , t ;   50 Pвых  вых 1, вых 2 , ..., вых m , t, где  у.э i – параметры условий эксплуатации; t – время; вых i – параметры, характеризующие продукцию. Объект как система описывается в виде функции эффективности F  F Pу.э  Рвых . Под эффективностью понимается показатель, дающий возможность сравнить систему с другими, ей подобными по величине превышения доходов над расходами. Показатели эффективности – производительность объекта, удельная энергоемкость, себестоимость, приведенные удельные затраты и др. При создании нового объекта стремятся к повышению его эффективности по сравнению с достигнутой. Выбор параметров должен обеспечить оптимальное значение функции эффективности. В такой постановке задача определения параметров сводится к отысканию максимума функции эффективности, принимаемой за целевую функцию. При нахождении экстремума целевой функции многих переменных может быть получена сложная система уравнений. Для ее решения зачастую прибегают к численным методам (итерационный, градиентный, метод Ньютона и др.). При выборе параметров объекта может оказаться, что целевая функция линейна, линейны ограничения переменных. В такой постановке возникает задача линейного программирования, а формируется она в стандартном виде следующим образом. Требуется максимизировать целевую функцию F  f x1 , x2 , ..., xn , при m < n линейных ограничениях-равенствах ak1x1  ak 2 x2  ...  akn xn  вi ; k  1, m , xi  0; i  1, n . и n линейных ограничениях-неравенствах Наиболее общим методом решения задачи линейного программирования является симплекс-метод. Нередки случаи, когда при выборе параметров целевая функция или ограничения оказываются нелинейными. Тогда возникает задача нелинейного программирования. Решение ее рациональнее всего вести численным методом. Особую сложность вызывают задачи, в которых нельзя ограничиться для выбора параметров одним критерием. Нужно отметить, что такого рода задачи возникают в процессе проектирования весьма часто. В связи с этим заслуживает внимания метод Соболя – Статникова, названный по имени авторов. Рассмотрим основы этого метода. Проектирование реальных объектов с учетом многих критериев качества обычно имеет характер итерационного процесса: конструктор, рассматривая различные варианты модели, оценивает их, уточняет постановку задачи, затем снова решает ее и анализирует новые варианты. В процессе проектирования нередко меняются взгляды конструктора на значимость многих критериев. И это продолжается до тех пор, пока он не решит, что пришло время остановиться: найдено то, что ему нужно. Особенность предлагаемого метода – систематический просмотр многомерных областей (в качестве пробных точек в пространстве параметров используются точки равномерно распределенных последовательностей). ММ объекта зависит от параметров а1, …, аn, которые могут быть как размерными, так и безразмерными. Пространством параметров называется n-мерное 51 пространство, состоящее из точек Ар с дискретными координатами (а1,…, аn). В пространстве параметров вводят параметрические и функциональные ограничения. Первые представляют выражениями a*j  a j  a*j* ; j  1, n , (2.1) где a*j , a*j* – нижние и верхние границы параметра. Ограничения (2.1) выделяют в пространстве параметров параллелепипед П р  Ар (1). Для двух параметров он условно показан на рис. 2.7, а. В общем случае объем параллелепипеда VП  (а1**  а1* )  ... (аn**  аn* ). В основу рассматриваемого метода оптимизации положено зондирование (исследование) параллелепипеда конечным числом пробных точек. Функциональные ограничения в общем виде соответствуют выражению Ce*  f ( Ap )  Ce** ; e  1, t , где f (Ap) – некоторые функции от параметров Ар (а1, …, аn), которые могут быть заданы явно, или функциональные зависимости от интегральных кривых дифференциальных уравнений. an an an * f1 ( Ap )  C1 a n** f1 ( Ap )  C1** Пр Dр Gр a n* a1* a1** a a1 a1 б a1 в Рис. 2.7. Пространство параметров в условиях ограничений: а – параметрических; б – параметрических и функциональных; в – параметрических, функциональных и критериальных Предполагается, что fе(Ар) непрерывны в пространстве параметров. Обозначим область, принадлежащую Пр и ограниченную fе(Ар): G p  Ap (1), (2). Графическое изображение области Gр представлено на рис. 2.6, б. Критерии качества представляют характеристики системы, которые связаны с ее качеством монотонной зависимостью Ф1 ( Ар ), ..., Фk ( Ар ) . Примем, что по условиям задачи Ф(Ар) стремятся минимизировать; функции Ф(Ар) предполагаются непрерывными в Пр; вводится критериальное ограничение Фv ( Ap )  Ф** ;   1, k . Область пространства параметров, удовлетворяющая всем трем видам ограничений, D p  Ap (1), (2), (3). 52 Графически она изображена на рис. 2.6, в. Решение задачи сводится к нахождению точки Ap в области D p такой, что Ф( Ap )  min Ф( Ар ), Ар  D p . 2.4.2. Компоновка объекта проектирования На стадии эскизного проекта компоновка объекта проектирования выполняется в виде чертежа общего вида, теоретического или габаритного чертежа. Чертеж общего вида определяет конструкцию изделия, взаимодействие его основных составных частей и поясняет принцип работы изделия. Теоретический чертеж отображает геометрическую форму (обводы) изделия и координаты расположения составных частей. Габаритный чертеж содержит контурное (упрощенное) изображение изделия с габаритными, установочными и присоединительными размерами. Различают три вида постановки задачи при компоновке: 1) сборку графического отображения объекта из его составных частей с размещением их конструктором; 2) сборку объекта из составных частей с учетом определенных ограничений (по площади, габаритным размерам, положению центра массы и др.) в режиме диалога; 3) сборку из составных частей с оптимизацией по заданным критериям в автоматическом режиме. Во всех случаях компоновка предполагает оперирование с некоторыми функциональными агрегатами или конструктивными модулями. Функциональные агрегаты объединяют унифицированные узлы, типовые проектные решения и проектные решения по предшествующим разработкам. Для компоновки общего вида рационально использовать программные средства машинной графики. Функциональные агрегаты и конструктивные модули включаются в базу данных. Составными частями при компоновке общего вида могут быть: 1) конструктивные модули – функционально, конструктивно и технологически законченные (без возможности внутренней доработки) унифицированные сборочные единицы, все параметры которых удовлетворяют модульному ряду и обладают совместимостью; 2) агрегаты – функционально связанные составные части объекта, не обязательно конструктивно и технологически законченные, параметры которых не удовлетворяют модульному ряду, а совместимость достигается конструктивными доработками; 3) базовые изделия – составные части, на основе которых могут создаваться семейства машин; 4) стандартные детали; 5) графические примитивы. Список составляющих частей приведен в последовательности, соответствующей уменьшению эффективности применения машинной графики при компоновке объекта проектирования. Наибольший эффект может быть достигнут при блочно-модульном проектировании, меньший – при наличии лишь базовых графических примитивов (точка, линия, поверхность). 53 2.5. Конструкторское проектирование Результатом конструкторского проектирования являются технический проект и рабочая документация. Технический проект содержит совокупность конструкторской документации, отражающей окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия, и исходные данные для разработки рабочей документации. Обязательными документами технического проекта являются: чертеж общего вида, пояснительная записка, ведомость технического проекта. Дополнительно, в зависимости от характера, назначения или условий производства изделия, могут составляться: теоретический и габаритные чертежи, расчеты, таблицы, схемы, ведомость покупных изделий, ведомость согласования применения покупных изделий, технические условия, программа и методика испытаний, патентный формуляр, карта технического уровня и качества продукции. Инженер-технолог, участвуя в разработке технического проекта, отрабатывает конструкцию на технологичность, добиваясь наилучших значений ее показателей. Художник-конструктор проводит окончательную компоновку машины, прорабатывает конструкцию рабочих мест, средств обеспечения условий обитаемости. Патентными исследованиями обосновывается возможность использования технических решений, защищенных авторскими свидетельствами и патентами; вновь создаваемые конструкции проверяются на патентоспособность, оформляются заявки на изобретения. Рабочая документация является основной документацией проектной организации. Состав технического проекта и рабочей документации определен Единой системой конструкторской документации (ЕСКД) ГОСТ 2.102-68. Основным средством конструирования является чертеж, изображающий изделие в прямоугольных проекциях. В некоторых случаях при проектировании сложных деталей используется изображение в аксонометрии. Для проектирования изделий, имеющих большие размеры и сложную форму (корпуса судов, самолетов), применяется плазовый метод. На чертеже в крупном масштабе изображаются следы пересечения определенным образом ориентированных плоскостей с поверхностью изделий. Из всех показателей качества проектируемого изделия на этапе конструирования решающее значение имеют: технологичность, надежность, соблюдение эргономических требований и эстетическое оформление. Основные показатели качества к моменту конструирования уже выбраны. Это было сделано на стадии технического задания специальной процедурой. Теперь необходимо реализовать их в конструкции машины. Отработка на технологичность связана со снижением трудоемкости и себестоимости изготовления изделия, технического обслуживания и ремонта. Требуемые показатели надежности при конструировании достигаются: окончательным выбором структурной схемы; использованием резервирования; обеспечением необходимой прочности деталей и рациональной их геометрией, исключающей концентрации напряжений; правильным выбором посадок, точности изготовления, шероховатости поверхностей; обеспечением смазки трущихся поверхностей и др. Каждый объект имеет функциональное назначение и соответственно 54 показатели, определяющие качество функционирования. Анализу функциональных показателей и определению параметров объекта, лучшим образом отвечающих этим показателям, посвящен этап функционального проектирования, включающий в себя стадию технического предложения и процедуру анализа на микро-, макро- и метауровнях. Однако существует ряд показателей, конкретных для данных классов объектов, в которых функциональные показатели зависят от выбранных конструктивных (геометрических) параметров проектируемого объекта. Так возникает связь функционального и конструкторского проектирования и итеративный характер проектных процедур. В подобных ситуациях правильность выбранных конструктивных параметров необходимо проверять на функциональных математических моделях, т.е. повторять функциональный (инженерный) анализ объекта. Практически для всех объектов, функционирование которых связано с распространением энергии в непрерывных средах, возникает подобная необходимость, поскольку смена геометрических параметров вызывает изменение граничных условий и соответственно параметров объекта. Отметим, что функциональные показатели зависят лишь от некоторых геометрических параметров деталей. В процессе конструирования основная конструкция дополняется большим числом деталей, а основные геометрические параметры – большим числом новых параметров, связанных с конструкторским оформлением. Примером может служить электрическая машина. С точки зрения ее функционирования имеют значение несколько геометрических параметров башмака и якоря, определяющих границы сред и соответственно распределение магнитных полей. При конструкторском проектировании необходим выбор большого числа деталей, свойственных машинам: валов, подшипников, прокладок, корпусов, крепежных деталей. В процедурной модели (см. табл. 1.1) выделены две стадии: конструирование объекта и конструирование сборочных единиц и деталей. Учитывая итерационность проектирования и повторный функциональный анализ, совокупность задач, решаемых на этих стадиях, можно разделить на три группы: 1) геометрическое моделирование; 2) функциональный анализ и оценка проектных решений; 3) автоматическое изготовление чертежей. Геометрическое моделирование относится к процедуре синтеза, в рамках которой объект проектирования принимает конкретную форму. Далее выполняется функциональный (инженерный) анализ и оцениваются проектные решения. Для автоматического изготовления чертежей требуется преобразование данных о будущем объекте в документальную форму в виде конструкторских чертежей. Геометрическое моделирование Геометрическое моделирование связано с получением математического описания геометрических свойств объекта. При наличии такого описания образ проектируемого объекта можно воспроизвести на экране графического терминала и манипулировать им посредством сигналов. 55 Известны следующие методы геометрического моделирования:  каркасное;  твердотельное – объемное представление монолитных тел. При построении каркасной модели ребра объекта изображаются линиями. Для объектов, имеющих криволинейные поверхности, могут добавляться контурные линии, отвечающие контурам объекта. Изображение объекта в данном случае напоминает проволочный каркас, что и отражено в названии этого типа моделей. Существует три вида каркасного моделирования: 1. Двумерное (типа 2D) – для плоских объектов. 2. Двухсполовиноймерное (типа 2 1/2D), позволяющее воспроизводить трехмерные объекты, не имеющие конструктивных элементов на боковых стенках. 3. Трехмерное (типа 3D), дающее возможность моделировать сложные геометрические объекты в трехмерном отображении. Однако иногда даже трехмерного каркасного представления объекта недостаточно для надлежащего отображения сложных форм. Поэтому существуют различные методы, расширяющие возможности каркасного моделирования. Возможно, например, отображение внутренних, невидимых снаружи ребер объекта штриховыми линиями или вообще полное «стирание» скрытных линий. Каркасным моделям свойственны также ограничения, связанные с принятым во многих из них способом описания модели в базе данных, может, например, возникнуть неясность в отношении того, какая из сторон поверхности является внутренней. Ограничения этого типа препятствуют исчерпывающему и однозначному описанию объекта в автоматизированной системе. Шагом вперед по сравнению с каркасными моделями как в отношении реалистичности с точки зрения пользователя, так и описания в ЭВМ, является метод конструирования объемных монолитных моделей (твердотельное моделирование). В этом методе модели представляются наблюдателю в виде объемного тела, риск ошибочной интерпретации которого очень мал. Если изображение цветное, то оно выглядит поразительно реалистичным. Широкому использованию объемных моделирующих систем способствуют два обстоятельства. Первое – понимание ограничений, свойственных системам каркасного моделирования. Второе обстоятельство – это непрерывное развитие вычислительной техники и программного обеспечения, которое делает объемное моделирование возможным. Объемные моделирующие системы требуют больших вычислительных мощностей как в плане быстродействия, так и в плане памяти. В САПР изделия используются методы проектирования: 1) моделирование из стандартных блоков; 2) гибридное моделирование; 3) параметрическое моделирование; 4) адаптивное конструирование; 5) синхронная технология. Моделирование из стандартных блоков позволяет пользователю строить модель из обычных графических примитивов (элементов), например из прямоугольных блоков, кубов, сфер и пирамид. Самым распространенным методом структурирования объемных моделей является использование булевых операций. 56 В ходе проектирования элементы запрашиваются пользователем и добавляются один к другому до получения нужной модели. Следует рассмотреть несколько аспектов такой организации процесса конструирования. Во-первых, пользователь может задавать размеры, положение и ориентацию каждого нового элемента после того, как он вызван, но до момента его добавления в модель. Вовторых, над элементами графики можно производить не только действия сложения, но и вычитания, т.е. модель может формироваться как из положительных, так и отрицательных элементов. В-третьих, при построении геометрических моделей несколько элементов могут группироваться в блоки. Блок может быть вызван из памяти системы для использования в различных частях модели. Гибридное моделирование – сочетание моделирования из стандартных блоков и кинематических элементов различной формы. Параметрическое моделирование предусматривает взаимосвязи между элементами (линиями, поверхностями) модели объекта. Изменение какого-либо одного размера или зависимости, определяющей взаимосвязь, приводит к пересчету размеров по всей цепочке и к соответствующему изменению геометрии модели. При параметризации могут быть реализованы: 1) ограничения относятся к одному объекту, например, вертикальность и горизонтальность, фиксированный размер; 2) взаимосвязи – параллельность и перпендикулярность отрезков и прямых, равенство длин отрезков, совпадение точек, выравнивание, связь размеров по выражениям (аналитическим зависимостям между переменными); 3) ассоциативность – один объект как бы привязывается к другому в процессе построения. Это: размер и геометрия, штриховка и геометрия, технические обозначения – все они изменяются при перестроении геометрии. Часть взаимосвязей элементов формируется автоматически при вводе, если подключен параметрический режим работы. Совпадение точек и положение точки на кривой параметризуется через выполненную при указании этой точки привязку. Дополнительные взаимосвязи можно назначить и отменить в любой момент работы над проектом. Адаптивное конструирование обеспечивает взаимосвязь деталей и узлов для последующей сборки конструкции в целом. При этом определяются те поверхности, которые соединяются вместе или взаимодействуют друг с другом. С появлением технологии адаптивного конструирования не требуется с большой точностью прорисовывать все элементы конструкции каждой детали. Их конфигурация определяется непосредственно в сборках на основе того, как отдельные детали стыкуются друг с другом. Синхронная технология – проектирование выполняется без построения дерева модели. Дает возможность редактирования любого элемента безотносительно порядка его построения. Программа автоматически адаптирует измененный участок к оставшимся без изменения элементам. Построение и редактирование геометрической модели Как было отмечено, в системе машинной графики модель конструируется из графических элементов (примитивов), которые запрашиваются пользователем в ходе проектирования и добавляются один к другому для получения нужной моде57 ли. Для твердотельного моделирования примитивами являются призма, сфера, пирамида, конус, цилиндр. При каркасном моделировании графическими элементами служат точка, линейный отрезок, круг, дуга окружности, эллипс. В распоряжении пользователя имеется много способов вызова конкретного элемента графики и задания его местоположения в геометрической модели. К числу методов определения поверхностей относятся, в частности: 1. Задание поверхности, образуемой вращением некоторой прямой и (или) кривой вокруг заданной оси. 2. Задание линии пересечения двух поверхностей. Этот метод, например, можно использовать для построения поперечного разреза детали путем рассечения плоскостью с нужной ориентацией. Описанные выше элементы сохраняются в базе данных в математической форме в трехмерной системе координат. Точка, например, может определяться просто своими координатами х, у и z; многоугольник обычно задается упорядоченным множеством угловых точек, а круг – центром и радиусом. Для круга на плоскости х, у можно написать уравнение x  m2   y  b 2  r 2 , где r – радиус окружности; m, n – координаты центра окружности. В каждом случае математическое описание можно преобразовать в соответствующие ему ребра и поверхности для занесения в базу данных и вывода на экран монитора. Общепринятым порядком моделирования твердого тела является последовательное выполнение булевых операций (сложения и вычитания) над объемными примитивами: – ввод параметров для примитива из списка методов задания; – выполнение перемещения плоской фигуры в пространстве Второй способ более гибкий, при этом доступны следующие операции:  вращение плоской фигуры вокруг оси на заданный угол;  протягивание фигуры вдоль пространственной траектории  построение тела по нескольким сечениям – фигурам. После создания базового тела производится «приклеивание» или «вырезание» дополнительных объемов. Примерами «вырезания» (вычитания) объемов будут различные отверстия, проточки, канавки, а примерами «приклеивания» (добавления) – бобышки, выступы, ребра. Дополнительные операции упрощают задание распространенных конструктивных элементов – фасок, скруглений, отверстий. На любом этапе работы тело можно преобразовать в тонкостенную оболочку. Можно удалить часть тела по границе плоскости или другой поверхности. Редактирование необходимо для корректировки геометрической модели, пользователь должен иметь возможность уничтожать, передвигать, копировать ее элементы. Принцип моделирования (параметрическое или обычное без взаимосвязи элементов детали), естественно, накладывает отпечаток на редактирование. При отсутствии параметризации изменение практически любого размера требует большой доработки всей модели с использованием названных возможностей редактирования (перенос, удаление части изображения с последующей прорисовкой нового варианта и т.д.). 58 Наличие параметрических связей упрощает редактирование – после задания новых значений параметров модель автоматически перестраивается в соответствии с ними. Например, при изменении длины фигуры при создании тела другой элемент (бобышка, ребро), построенный на торце тела, все равно остается на торце, а не «повисает» в пространстве на прежнем месте. Автоматическое создание чертежей После определения конструктивных параметров изделия выполняется окончательный функциональный анализ. Как было рассмотрено выше, функциональный анализ включает в себя расчеты механических напряжений и усилий, тепловых и электрических процессов. Для описания динамического поведения проектируемого объекта используются дифференциальные уравнения. Процедуры анализа могут быть автоматизированы с использованием программ инженерного анализа. Целый ряд функциональных возможностей геометрической модели объекта наилучшим образом проявляется именно в процедурах изготовления чертежей. Сюда относятся автоматическое определение размеров, штриховка нужных областей, масштабирование, а также построение разрезов и увеличенных изображений конкретных элементов деталей. В большинстве САПР предусматривается возможность формирования шести проекций детали. Конструкторские чертежи приводятся в соответствие с системой стандартов путем воплощения требований этих стандартов в конкретные машинные программы. В современных САПР И имеются встроенные средства оформления чертежа, позволяющие отслеживать ассоциативную связь между моделью и ее чертежом. В этом случае изменение параметров модели приводит к автоматическому изменению чертежа. Обзор популярных САПР На современном рынке существует большое количество САПР, которые решают разные задачи. В данном обзоре мы рассмотрим основные системы автоматизированного проектирования в области машиностроения. Базовые и легкие САПР Легкие системы – предназначены для черчения, а также для двумерного и трехмерного геометрического каркасного моделирования. Обычно они не включают дополнительные приложения и не имеют встроенных средств управления инженерными данными. С их помощью можно создавать небольшие сборки и отдельные детали. Но это не значит, что такие продукты мало распространены. Напротив, они находят применение на предприятиях самого разного масштаба. Нередко компании, имеющие тяжелые и средние системы, используют их для чертежных работ. Стоимость таких САПР гораздо ниже, чем систем более высокого класса, – от 1 тыс. долл. до немногим более 4 тыс. долл. за рабочее место. Легкие системы САПР предназначены для 2D-проектирования и черчения, а также для создания отдельных трехмерных моделей без возможности работы со сборочными единицами. Безусловный лидер среди базовых САПР – AutoCAD. AutoCAD AutoCAD — это базовая САПР, разрабатываемая и поставляемая компанией Autodesk. AutoCAD – самая распространенная CAD-система в мире, позволяющая 59 проектировать как в двумерной, так и трехмерной среде. С помощью AutoCAD можно строить 3D-модели, создавать и оформлять чертежи и многое другое. AutoCAD является платформенной САПР, т.е. эта система не имеет четкой ориентации на определенную проектную область, в ней можно выполнять хоть строительные, хоть машиностроительные проекты, работать с изысканиями, электрикой и многим другим. Система автоматизированного проектирования AutoCAD обладает следующими отличительными особенностями:  Стандарт ―де факто‖ в мире САПР  Широкие возможности настройки и адаптации  Средства создания приложений на встроенных языках (AutoLISP и пр.) и с применением API  Обилие программ сторонних разработчиков. Кроме того, Autodesk разрабатывает вертикальные версии AutoCAD AutoCAD Mechanical, AutoCAD Electrical и другие, которые предназначены для специалистов соответствующей направленности. САПР среднего уровня Системы среднего класса – надежные и многофункциональные продукты, которые содержат многие компоненты своих тяжелых собратьев, за исключением средств моделирования сложных поверхностей, встроенных подсистем инженерного анализа (CAE), подготовки производства (CAM) и специализированных приложений – многие из них можно купить у независимых разработчиков. «Середняки» поддерживают сборки, включающие от сотни до нескольких тысяч деталей, и имеют встроенную подсистему управления инженерными данными (PDM), которая, как правило, может работать только с «родными» данными и обладает более ограниченными возможностями, чем PDM-продукты масштаба предприятия. Такие системы стоят от менее 5 тыс. долл. до немногим более 7 тыс. долл. за одно рабочее место (в зависимости от набора функций). Средние системы САПР — это программы для 3D-моделирования изделий, проведения расчетов, автоматизации проектирования электрических, гидравлических и прочих вспомогательных систем. Данные в таких системах могут храниться как в обычной файловой системе, так и в единой среде электронного документооборота и управления данными (PDM- и PLM-системах). Часто в системах среднего класса присутствуют программы для подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ (CAM-системы) и другие программы для технологического проектирования. САПР среднего уровня – самые популярные системы на рынке. Они удачно сочетают в себе соотношение ―цена/функциональность‖, способны решить подавляющее число проектных задач и удовлетворить потребности большей части клиентов. Autodesk Inventor Профессиональный комплекс для трехмерного проектирования промышленных изделий и выпуска документации. Разработчик – компания Autodesk. Среди особенностей Inventor стоит отметить:  Продвинутые инструменты трехмерного моделирования, включая работу со свободными формами и технологию прямого редактирования  Поддержку прямого импорта геометрии из других САПР с сохранением ассоциативной связи (технология AnyCAD) 60 Тесную интеграцию с программами Autodesk - AutoCAD, 3ds Max, Alias, Revit, Navisworks и другими, что позволяет использовать Inventor для решения задач в разных областях, включая дизайн, архитектурно-строительное проектирование и пр.  Поддержку отечественных стандартов при проведении расчетов, моделировании и оформлении документации  Обширные библиотеки стандартных и часто используемых элементов  Обилие мастеров проектирования типовых узлов и конструкций (болтовые соединения, зубчатые и ременные передачи, проектирование валов и колес и многое другое)  Широкие возможности параметризации деталей и сборок, в том числе управление составом изделия  Встроенную среду создания правил проектирования iLogic. Для эффективного управления процессом разработки изделий, управления инженерными данными и организации коллективной работы над проектами, Autodesk Inventor может быть интегрирован с PLM-системой Autodesk Vault и схожими системами других разработчиков. SolidWorks Трехмерный программный комплекс для автоматизации конструкторских работ промышленного предприятия. Разработчик – компания Dassault Systemes. Черты системы, выгодно отличающие ее от других CAD-систем:  Продуманный интерфейс пользователя, ставший образцом для подражания  Обилие надстроек для решения узкоспециализированных задач  Ориентация как на конструкторскую, так и на технологическую подготовку производства  Библиотеки стандартных элементов  Распознавание и параметризация импортированной геометрии  Интеграция с системой SolidWorks PDM SolidEdge Система трехмерного моделирования машиностроительных изделий, которую разрабатывает Siemens PLM Software. Среди преимуществ системы можно выделить:  Комбинацию технологий параметрического моделирования на основе конструктивных элементов и дерева построения с технологией прямого моделирования в рамках одной модели  Расчетные среды, включая технологию генеративного дизайна  Поддержку ЕСКД при оформлении документации  Расширенные возможности проектирование литых деталей и оснастки для их изготовления  Встроенный модуль автоматизированного создания схем и диаграмм  Тесную интеграцию с Microsoft SharePoint и PLM-системой Teamcenter для совместной работы и управления данными Компас-3D Компас-3D – это система параметрического моделирования деталей и сборок, используемая в областях машиностроения, приборостроения и строительства. Разработчик – компания Аскон (Россия). Преимущества системы Компас-3D:  Простой и понятный интерфейс  61 Использование трехмерного ядра собственной разработки (C3D)  Полная поддержка ГОСТ и ЕСКД при проектировании и оформлении документации  Большой набор надстроек для проектирования отдельных разделов проекта  Гибкий подход к оснащению рабочих мест проектировщиков, что позволяет сэкономить при покупке  Возможность интеграции с САПР технологических процессов ВЕРТИКАЛЬ и другими системами единого комплекса. T-FLEX Отечественная САПР среднего уровня, построенная на основе лицензионного трехмерного ядра Parasolid. Разработчик системы – компания ТопСистемы (Россия). Отличительные черты системы:  Мощнейшие инструменты параметризации деталей и сборок  Продвинутые средства моделирования  Простой механизм создания приложений без использования программирования  Интеграция с другими программами комплекса T-FLEX PLM  Инструменты расчета и оптимизации конструкций. Тяжелые” САПР Тяжелые системы – полнофункциональные системы автоматизации проектно-конструкторской и технологической подготовки производства (в англоязычной терминологии CAD-/CAM), предназначенные для черчения, двумерного и трехмерного геометрического, твердотельного и поверхностного моделирования (включая моделирование сложных поверхностей); поэлементного проектирования и проектирования с комплексной увязкой параметров. Они включают встроенные подсистемы инженерного анализа (CAE), подготовки программ для станков с ЧПУ и многие другие специализированные средства разработки. С их помощью можно создавать очень сложные и большие сборки, состоящие из десятков тысяч деталей. Кроме того, они интегрированы с подсистемой управления инженерными данными (PDM), способной охватить целое предприятие, включая поставщиков и партнеров, а также поддерживать работу с данными, поступающими из других CAD/CAM. Стоимость тяжелых систем варьируется от 7 тыс. до 20 тыс. долл. и более за рабочее место (в зависимости от количества и типа необходимых функций). На долю поставщиков таких систем приходится большая часть объема рынка САПР. Тяжелые САПР предназначены для работы со сложными изделиями (большие сборки в авиастроении, кораблестроении и пр.) Функционально они делают все то же самое, что и средние системы, но в них заложена совершенно другая архитектура и алгоритмы работы. NX NX – флагманская система САПР производства компании Siemens PLM Software, которая используется для разработки сложных изделий, включающих элементы со сложной формой и плотной компоновкой большого количества составных частей. Ключевые особенности NX:  Поддержка разных операционных систем, включая UNIX, Linux, Mac OS X и Windows  62 Одновременная работа большого числа пользователей в рамках проекта  Полнофункциональное решение для моделирования  Продвинутые инструменты промышленного дизайна (свободные формы, параметрические поверхности, динамический рендеринг)  Инструменты моделирования поведения мехатронных систем  Глубокая интеграция с PLM-системой Teamcenter. CATIA САПР от компании Dassault Systemes, ориентированная на проектирование сложных комплексных изделий, в первую очередь, в области авиастроения и кораблестроения. Отличительные особенности:  Стандарт ―де факто‖ в авиастроении  Ориентация на работу с моделями сложных форм  Глубокая интеграция с расчетными и технологическими системами  Возможности для коллективной работы тысяч пользователей над проектом  Поддержка междисциплинарной разработки систем. Облачные САПР В последнее время активно начали развиваться ―облачные― САПР, которые работают в виртуальной вычислительной среде, а не на локальном компьютере. Доступ к этим САПР осуществляется либо через специальное приложение, либо через обычный браузер. Неоспоримое преимущество таких систем – возможность их использования на слабых компьютерах, так как вся работа происходит в ―облаке‖. Облачные САПР активно развиваются, и если несколько лет назад их можно было отнести к легким САПР, то теперь они прочно обосновались в категории средних САПР. Fusion 360 САПР Fusion 360 ориентирована на решение широкого круга задач, начиная от простого моделирования и заканчивая проведением сложных расчетов. Разработчик системы – компания Autodesk. Особенности Fusion 360:  Продвинутый интерфейс пользователя  Сочетание разных методов моделирования  Продвинутые инструменты работы со сборками  Возможность работы в онлайн и оффлайн режимах (при наличии и отсутствии постоянного подключения к сети Интернет)  Доступная стоимость приобретения и содержания  Расчеты, оптимизация, визуализация моделей  Встроенная CAM-система  Возможности прямого вывода моделей на 3D-печать. Заключение. В настоящее время на рынке присутствуют самые разные современные CAD системы, которые отличаются между собой как по функциональности, так и по стоимости. Выбрать подходящую систему автоматизированного проектирования среди многих CAD – непростая задача. При принятии решения необходимо ориентироваться на потребности предприятия, задачи, которые стоят перед пользователями, стоимость приобретения и содержания системы и многие другие факторы.  63 2.6. Технологическая подготовка производства В структуре жизненного цикла изделия (рис.1.2) после конструкторского проектирования следует технологическая подготовка производства (ТПП) к выпуску нового изделия. Технологическое проектирование (проектирование технологического процесса изготовления изделия) – основная задача ТПП. Основные понятия технологического проектирования Технологический процесс (ТП) – это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению состояния предмета труда и получению изделия с заданными свойствами. Технологический процесс механической обработки – это часть производственного процесса, включающая в себя последовательные действия по преобразованию исходной заготовки в готовую деталь путем изменения формы, размеров, состояния поверхностей обработкой обрабатывающими инструментами. Проектирование ТП отличается большой трудоемкостью и многовариантностью. Трудоемкость составляет (в процентах от общего объема технической подготовки) около 30 – 40% для условий мелкосерийного производства и 50 – 60 % в массовом производстве. Многовариантность является следствием того, что требуемые по чертежу одни и те же характеристики поверхности детали (шероховатость, точность, твердость) можно получить различными методами обработки. Метод обработки определяется применяемым видом режущего инструмента: резец–точение, сверло – сверление и т.д. Выбор метода обработки зависит от многих факторов: материал заготовки, размеры и доступность обрабатываемой поверхности, тип производства (определяет окупаемость затрат на обработку). Цель проектирования технологического процесса – разработка для инженерно-технического персонала и рабочих производственных подразделений (цехов, участков) достаточно подробного описания технологических приемов изготовления изделия. Описание технологического процесса – это представленное на некотором языке изложение способа изготовления изделия, состоящее из упорядоченного набора описаний технологических приемов, включающего в себя сведения о типах и режимах работы используемых средствах технологического оснащения, технологических инструкциях, нормах времени и нормах расхода материалов, и оформленное по установленным нормам. Технологический прием – это конкретное, теоретически или эмпирически (на основании фактов) определенное сложившееся поведение персонала при изготовлении изделия с использованием некоторых средств технологического оснащения (СТО). К СТО относятся режущий, измерительный, вспомогательный инструменты и приспособления. ТП состоит из последовательности операций, которая определяет маршрут обработки детали. Технологическая операция – часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте (на станке, если операция–станочная) и охватывающая все приемы и действия оборудования и рабочего над одним или несколькими совместно обрабатываемыми предметами труда. 64 Технологический переход – это технологический прием, являющийся частью операции, выполняемый при обработке одного или нескольких участков поверхности детали одним и тем же инструментом или группой инструментов без изменения режима обработки. Задачи технологической подготовки производства Обеспечение технологичности конструкции изделий (рис. 1.3). Для решения этой задачи проводятся: структурный анализ изделий (какие детали и сборочные единицы входят в изделие) с целью определения возможности увеличить количество заимствованных деталей (в том числе и стандартных); техникоэкономический анализ производства (какие технологические процессы и средства технологического оснащения можно использовать из процессов и средств подготовки технологически подобных и уже запускавшихся изделий); анализ возможности улучшения технологичности конструкции деталей. Технологичность по ГОСТ 18831-73 рассматривается как совокупность свойств конструкции изделия, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте, по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения при обеспечении установленных значений показателей качества в принятых условиях изготовления, эксплуатации и ремонта. Анализ возможности улучшения технологичности конструкции деталей включает в себя анализ возможности: уменьшения размеров обрабатываемых поверхностей для снижения трудоемкости механической обработки; повышения жесткости детали для обеспечения ее многоинструментальной обработки и высокопроизводительных режимов резания; облегчения подвода и отвода режущих инструментов в целях сокращения вспомогательного времени; унификации размеров отверстий, пазов и канавок для сокращения номенклатуры инструментов; обеспечения удобного и надежного базирования заготовок, а при простановке размеров анализ возможности совмещения технологических и измерительных баз; анализ удобства выполнения многоместной обработки заготовок. Показатели для оценки технологичности конструкции учтены требованиями ГОСТ 14.201-73. Технологичность конструкции – понятие относительное и комплексное. При ее оценке следует учитывать условия производства (тип, уровень автоматизации и оснащенности), ее нельзя рассматривать изолированно, без взаимосвязи и учета условий выполнения подготовительных процессов, процессов обработки, сборки и контроля. Отработку на технологичность конструкции производят в целях получения наименьших трудоемкости и себестоимости изготовления изделия в целом. Улучшение технологичности конструкции позволяет сократить трудоемкость изготовления изделия на 15–30 % и более, а себестоимость на 10–20 %. Для отдельных деталей эти показатели могут быть выше. Понятие «технологичность конструкции» распространяют не только на область производства, но и на процесс его подготовки. Конструкция изделия должна быть удобной для быстрого освоения его в производстве, а также для эксплуатации его потребителем (удобство обслуживания, ремонтопригодность, экономичность эксплуатации). 65 Конструкцию изделия рекомендуется отрабатывать на технологичность в процессе создания самой конструкции. При этом достигается рабочий контакт конструкторов и технологов, сокращается длительность последующей разработки технологических процессов. Разработка технологических процессов (ТП). Цель проектирования ТП – подробное описание процессов изготовления изделия с необходимыми техникоэкономическими расчетами и обоснованиями принятого варианта. Эта основная задача технолога дополняется задачей внедрения спроектированного технологического процесса на предприятии. В результате составления технологической документации инженерно-технический персонал и рабочие-исполнители получают необходимые данные и инструкции для осуществления спроектированного технологического процесса в конкретных производственных условиях. Технологические процессы разрабатывают при проектировании новых и реконструкции существующих заводов, а также при организации производства новых изделий на действующих заводах. Кроме того, ТП корректируют или разрабатывают новые ТП на действующих заводах при выпуске уже освоенной продукции. Это обусловливается конструктивными усовершенствованиями выпускаемых изделий и необходимостью использования и внедрения в действующее производство передовой технологии и новейших достижений производственной техники. При проектировании новых и реконструкции существующих заводов разработанные ТП берутся за основу проекта. Они определяют необходимое технологическое оборудование, производственные площади и энергетические мощности цеха, его транспортные средства, число рабочих, основные и вспомогательные материалы. На основе спроектированного ТП устанавливают исходные данные для организации снабжения цеха, календарного планирования, технологического контроля, инструментального и транспортного хозяйства, решают вопросы организации, экономики и управления цехом. От качества технологических разработок зависят технико-экономические показатели завода. При организации производства новых изделий на действующем заводе разработка ТП предшествует всем подготовительным и организационным работам. На основе ТП выявляют возможности использования имеющегося оборудования и необходимость приобретения нового, определяют требующуюся дополнительную рабочую силу, количество инструмента, средств технического контроля, транспортных средств, материалов, энергии. Задача проектирования ТП характерна многовариантностью возможных решений. Даже для сравнительно простых изделий может быть разработано несколько различных ТП, полностью обеспечивающих требования рабочего чертежа и технических условий. Сопоставляя эффективность и рентабельность этих вариантов, окончательно отбирают один или несколько равноценных вариантов. Из этих нескольких возможных вариантов сначала отбирают такие, производительность которых не ниже заданной. Затем выбирают наиболее рентабельный вариант, обеспечивающий минимальную себестоимость изготовления изделия. Проектирование ТП отличается сложностью и трудоемкостью. Его выполняют за несколько последовательных стадий. Вначале делают предварительные наметки при решении частных и общих вопросов проектирования; на последующих стадиях эти наметки уточняют и конкретизируют на основе детальных тех66 нологических расчетов. Знание основных закономерностей построения ТП и математические методы позволяют находить оптимальные решения с помощью методов автоматизированного проектирования. Основные трудности оптимизации решения сложных технологических задач – наличие большого количества влияющих факторов и отсутствие точных закономерностей протекания технологических процессов. Проектирование и изготовление средств технологического оснащения (СТО). К СТО относятся станочные приспособления, режущие, измерительные и вспомогательные инструменты. Проектирование технологической оснастки включает в себя решение задач конструкторского и технологического характера. Основные направления автоматизации решения этих задач: типизация конструктивных и технологических решений; отделение проблемной части от инвариантной; создание банков данных конструкторско-технологического назначения; использование диалоговых методов проектирования. На этой основе разрабатываются специальные подсистемы автоматизированного проектирования технологической оснастки. Известны подсистемы проектирования штампов, литейных форм, приспособления для сверления плоских деталей, фотошаблонов, печатных плат, режущего, измерительного и вспомогательного инструментов и др. Методы проектирования ТП Процесс формирования ТП в общем случае – совокупность процедур структурного и параметрического синтеза с принятием и последующим анализом проектных решений. Принятие решения по каждой задаче, за исключением задач расчетного характера, производится в результате выбора известных типовых решений с учетом условий применимости. Для этого достаточно описать весь набор типовых решений, а также условий, при которых может быть выбрано каждое из решений. По уровню решаемых задач типовые решения подразделяются на две группы: локальные и глобальные. Локальное типовое решение относится к частной технологической задаче, определяющей технологический элемент (например, модель станка при назначении станка на операцию). Глобальное типовое решение охватывает весь круг решаемых задач. Примером такого решения является типовой ТП изготовления деталей определенного типа, выбранный из множества типовых ТП. Можно выделить три уровня унификации обработки: отдельной поверхности, сочетания поверхностей и детали в целом. Учитывая все перечисленные факторы: характер решаемых задач (расчетные или нерасчетные), разновидности типовых решений (локальные или глобальные), используемые уровни унификации обработки, можно выделить следующие методы проектирования ТП: 1) прямое документирование; 2) параметрический; 3) использование аналогов; 4) проектирование на основе унифицированных ТП; 5) синтез. Метод прямого документирования сводится к выбору из меню или набору с клавиатуры текста проектных документов. Технолог работает в режиме диалога и 67 все решения принимает сам. Эффективность метода возрастает с использованием нормативно-справочной информации из базы данных. При параметрическом проектировании структура ТП задается технологом, а в автоматическом режиме определяются параметры ТП, т.е. автоматизированы решения расчетных задач: расчет режимов резания и нормы времени на обработку поверхностей. Следующие два метода (использование аналогов и на основе унифицированных ТП) называют также методом анализа. После ввода описания детали находится технологический процесс на аналогичную деталь или унифицированный ТП на группу деталей. Далее для формирования индивидуального ТП необходимо организовать вторую процедуру – анализ и доработку найденного ТП в соответствии с чертежом детали. В этом случае используются все три уровня унификации обработки, и метод воплощает идею «от общего к частному». Метод синтеза использует унификацию на уровне отдельных поверхностей и сочетаний поверхностей, т.е. на нижнем уровне декомпозиции, реализуя принцип «от частного к общему». Базу метода составляют локальные типовые решения. Технологический процесс в целом формируется (синтезируется) из решений частных задач, определяющих элементы ТП. Частные задачи решаются по-разному: в диалоге или по алгоритмам из базы знаний. Как видно из краткого описания методов проектирования ТП, в своем развитии САПР ТП постепенно расширяли арсенал своих средств. На первом этапе эти системы представляли специализированные текстовые редакторы. С появлением баз данных появилась возможность поддерживать процесс ручного формирования ТП в таких редакторах в части поиска средств технологического оснащения. Для автоматизации принятия решения используются методы искусственного интеллекта с формированием базы знаний. Необходимо обратить внимание на то, что предлагаемая классификация методов проектирования не исключает объединение нескольких методов в рамках одной САПР. Например, в среде САПР ТП Вертикаль реализованы первые четыре метода автоматизированного проектирования ТП. Общие сведения о системе «Вертикаль» Вертикаль – это система автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП). В нем реализован новый подход к организации данных о техпроцессе. Прежде всего, система базируется на объектной модели технологии, состоящей из «технологической» и «конструкторской» частей. «Технологическая» часть модели содержит сведения об операциях, переходах, оборудовании и оснастке. «Конструкторская» часть отображает состав и структуру поверхностей детали. Связь «технологической» и «конструкторской» частей модели осуществляется с помощью объектов Переход, каждый из которых имеет двух «родителей»: Операция (от «технологической» части) и Конструктивный элемент (от «конструкторской» части модели). Такая модель позволяет воедино связать технологическую и конструкторскую информацию и предоставить пользователю единую «многомерную» точку зрения на технологический процесс – с позиций обработки поверхностей и с позиций конструкции детали. Взаимосвязь ВЕРТИКАЛЬ с другими системами и приложениями представлена на рисунке 2.8. Основными поставщиками справочных данных являются 68 корпоративные справочники (Единицы измерения, Материалы и сортаменты) и Универсальный технологический справочник (УТС). Формирование и ведение пользовательских баз данных для УТС реализуется в специальном модуле администрирования. Графические документы формируются в приложении КОМПАС-3D на этапе конструкторской подготовки производства (3D-модель–чертежи) и в процессе проектирования технологических процессов (эскизы). Включение информационных потоков по технологической подготовке производства в единое информационное пространство предприятия (ЕИПП) реализуется интеграцией ВЕРТИКАЛЬ с системами управления документооборотом (PDM - Рrоduct Data Management) ЛОЦМАН. Автоматизация расчетов выполняемых в процессе проектирования ТП осуществляется специальными приложениями к ВЕРТИКАЛЬ – «Система расчета режимов резания», «Система расчета режимов сварки», «Система трудового нормирования» и др. Рис. 2.8. Взаимосвязь ВЕРТИКАЛЬ с другими системами и приложениями Проектирование ТП методом синтеза Рассмотрим метод синтеза ТП, при применении которого стадии разработки ТП совпадают для ручного и автоматизированного проектирования. Метод синтеза представляет собой автоматизацию проектирования на базе типовых решений отдельных технологических задач. Этот метод наиболее сложный, и его необходимость диктуется наличием множества оригинальных деталей, для которых нет аналогичных и типовых ТП. 69 Все, что имеется к началу проектирования ТП, это – унифицированные маршруты обработки отдельных поверхностей, и именно с их определения применительно к текущей детали начинается проектирование. Это первая частная (отдельная) технологическая задача. Общее проектирование ТП состоит из следующих стадий проектирования (включая и названную): 1) установление маршрутов обработки отдельных поверхностей; 2) формирование принципиальной схемы ТП в виде перечня выполняемых этапов обработки; 3) проектирование ТП в пределах этапа с установлением маршрута обработки детали; 4) размерный анализ технологического процесса; 5) проектирование операций и переходов. Приведем краткое описание каждой стадии. Маршрут обработки отдельной поверхности (МОП) – это последовательность методов обработки (переходов), необходимых для достижения требуемых чертежом детали характеристик поверхности. Разнообразие существующих методов приводит к тому, что одни и те же характеристики могут быть достигнуты разными МОП. После разработки возможных маршрутов производится выбор оптимального МОП по назначенным критериям. В качестве критериев оптимального МОП и при нахождении оптимального решения других технологических задач используются показатели ресурсоемкости: затраты материалов, энергии, труда. Дальнейшая задача заключается в том, чтобы из отдельных МОП построить допустимые варианты ТП обработки детали. Для решения этой задачи используется хранящийся в САПР общий план обработки деталей, разбивающий ТП на этапы обработки. План обработки содержит перечень этапов и условия выбора каждого этапа исходя из маршрута обработки поверхностей и характеристик детали в целом. План обработки строится на основе анализа изготовления деталей различных классов с учетом возможных комбинаций термической и механической обработки. По условиям анализируется необходимость каждого этапа обработки для текущей детали. Перечень полученных этапов называется принципиальной схемой ТП. Следующая стадия – проектирование ТП в пределах каждого этапа. Исходными данными являются принципиальная схема ТП, указанные обрабатываемые поверхности и их характеристики на каждом этапе. Для окончательного определения состава и последовательности операций устанавливаются схемы базирования и выполняется размерный анализ. Далее из совокупности переходов формируются операции, а из последовательности операций – маршрутная карта. Проектирование операций и переходов предполагает выбор средств оснащения, определение режимов обработки и нормы времени обработки. Результатом решения каждой задачи является множество типовых решений, которые формируют выходную документацию или составляют входные данные для последующих задач. 70 2.7. Опытное производство, испытание, доводка и серийное производство изделий По разработанным на предыдущем этапе ЖЦИ технологическим процессам изготавливаются опытные образцы изделия с целью их испытания и последующей доводки конструкции. ТП также корректируются согласно этим изменениям для серийного производства изделия. Современное производство представляет собой сложный процесс превращения сырья, материалов, полуфабрикатов и других предметов труда в готовую продукцию, удовлетворяющую потребностям общества. Основной частью производственного процесса являются технологические процессы, которые содержат целенаправленные действия по изменению и определению состояния предметов труда. Наряду с технологическими, производственный процесс включает также процессы: транспортные, складские, погрузочно-разгрузочные, комплектовочные. Многообразные производственные процессы необходимо соответствующим образом организовать, обеспечив их эффективное функционирование в целях выпуска конкретных видов продукции. Организация производственных процессов состоит в объединении людей, орудий и предметов труда в единый процесс производства материальных благ, а также в обеспечении рационального сочетания в пространстве и во времени основных, вспомогательных и обслуживающих процессов. Пространственное сочетание элементов производственного процесса и всех его разновидностей реализуется на основе формирования производственной структуры предприятия и входящих в него подразделений. Типовая структура производства приведена на рис. 2.9. Рис.2.9. . Типовая структура производства В ходе ТП происходит преобразование материальных и информационных потоков в соответствующие потоки с другими свойствами. К примеру, изменяется 71 сама заготовка от операции к операции и ее описание в виде операционных эскизов. При этом потребляются финансовые, энергетические, трудовые и материальные ресурсы, а также используется соответствующая информация о выполняемых технологических операциях, используемом оборудовании и средствах технологического оснащения, времени выполнения операций. Основные задачи в процессе изготовления изделия следующие:  календарное планирование выпуска изделий заданного качества при установленных сроках, объеме выпуска и затратах;  снабжение предприятия необходимыми материалами и сырьем, заготовками и полуфабрикатами, покупными изделиями (агрегатами, узлами, принадлежностями, приборами и устройствами) и инструментами. Календарное планирование – это разработка и доведение до структурных подразделений и рабочих мест оперативных плановых заданий по выпуску продукции и обеспечению их необходимыми для этого ресурсами. Задачи календарного планирования: 1. Обеспечение ритмичности выполнения производственной программы; 2. Снижение производственного брака; 3. оптимальная загрузка оборудования, производственных мощностей и рабочих; 4. охрана труда работников и окружающей среды; 5. экономное расходование ресурсов. Календарный план производства – это документ, устанавливающий последовательность и сроки выполнения производственных операций, а также потребность в трудовых ресурсах во времени. Календарный график (план-график) конкретизирует календарный план относительно состава, объемов, последовательности, сроков выполнения работ. При построении календарного графика необходимо учитывать наличие ресурсов, так как одновременное выполнение некоторых операций из-за ограничений, связанных с рабочей силой, оборудованием и другими видами ресурсов, может оказаться невозможным. Выделяют четыре вида календарных графиков в зависимости от решаемых задач: 1. Сводный календарный план. В нем указываются уточнѐнные сроки выполнения работ по всему предприятию. 2. Объѐмный календарный график. Он определяет очерѐдность и сроки выполнения каждого вида работ в конкретном подразделении предприятия. 3. Рабочие календарные графики. Формируются конкретным подразделением предприятия и разрабатывается на неделю. Основной целью является предупреждение отклонения в работе предприятия. Рабочие графики – наиболее распространенный вид календарного планирования. Как правило, они составляются очень быстро и зачастую имеют упрощенную форму, т.е., как показывает практика, не всегда должным образом оптимизируются. 4. Часовые календарные графики. Используются в технологических картах и картах трудовых процессов, для формирования оптимальной загрузки оборудования и трудовых ресурсов. Данные графики оптимизированы или ориентированы на типичные или наиболее вероятные условия работы и в конкретных условиях требуют уточнения. 72 В современных условиях для построения календарных планов целесообразно использовать соответствующие программные продукты, такие как Microsoft Project, Time Line, Primavera Project Planner, Spider Project , система ORTEMS. Процесс снабжения – это совокупность операций, обеспечивающих предприятие необходимыми предметами и средствами труда. Основная задача предприятия по организации снабжения – своевременное бесперебойное и комплексное снабжение производства всеми необходимыми материальными ресурсами при минимальных издержках управления запасами. Обеспечение производств сырьем, материалами, покупными полуфабрикатами и готовыми изделиями связано с выполнением таких функций, как закупка, транспортировка, складская переработка. Все эти операции планируются, осуществляются, контролируются и регулируются специализированными службами, подразделениями снабжения или специальными сотрудниками (в зависимости от размера предприятия). В снабженческой деятельности предприятия можно выделить два основных вида функций: внешние и внутренние. Внешние функции снабжения определяют взаимоотношения предприятия с другими предприятиями-поставщиками, оптовыми и розничными торговыми фирмами, транспортными организациями:  поиск возможных поставщиков материальных ресурсов, анализ и выбор наиболее подходящих из них; заключение договоров с поставщиками;  установление рациональных хозяйственных связей по поставкам продукции на предприятие, заключение договоров с потребителями;  выбор средств доставки материальных ресурсов от поставщиков и к потребителям, заключение договоров с транспортными фирмами. Внутренние функции снабжения характеризуют взаимодействие службы снабжения с административными и производственными подразделениями данного предприятия:  планирование материально-технического снабжения на основе баланса материальных ресурсов (плана снабжения);  организация и планирование снабжения средствами и предметами труда производственных подразделений;  лимитирование отпуска материалов со склада;  подготовка материальных ресурсов к производственному потреблению, отпуск и доставка материальных ресурсов со склада на место их потребления;  оперативное регулирование движения материальных ресурсов, контроль над их использованием на предприятии. План материально-технического снабжения разрабатывается на основе бизнес-плана предприятия. Бизнес-план – это документ или по-другому, руководство, которое описывает идею проекта, бизнес-процессы и механизмы их реализации с целью достижения целей, заявленных автором документа (бизнес-плана). Он базируется на утвержденных планах производства и выпуска продукции по номенклатуре, срокам, этапам, а также нормах расхода материалов 73 2.8. Постпроизводственные фазы ЖЦИ К постпроизводственным фазам ЖЦИ относятся целевое применение, эксплуатация изделия до и после возможной модернизации и утилизация. С этими фазами тесно связано понятие логистической поддержки. Согласно ГОСТ Р 50.1.031 -2001: «Логистика –это наука о методах и способах управления материальными и информационными потоками в производстве и бизнесе; в частности, изучает процессы планирования, контроля и управления транспортированием, складированием, переработкой и другими операциями в процессе доставки готовой продукции потребителю». После производства изделие превращается в товар, начинается жизненный цикл товара. Реализация изделия требует исполнения многообразных функций, в том числе:  коммерческих и торговых;  маркетинга;  ценообразования;  налаживания сбытовой сети;  брэндинга –создания, поддержки и развития брэнда. По рыночным законам потребителя надо поддерживать и после продажи ему изделия, и здесь достаточное количество работ, таких как:  производство запасных частей;  предпродажное обслуживание;  гарантийное обслуживание;  ремонтное и техническое обслуживание;  подготовка кадров для работы с изделиями у потребителей;  эксплуатационное обслуживание;  модернизация;  утилизация. Основная задача разработчиков – обеспечение обслуживающего персонала интерактивными электронными техническими руководствами по эксплуатации и ремонту изделия (ИЭТР). ИЭТР представляет собой программно - аппаратный комплекс, содержащий технические данные, необходимые при эксплуатации, обслуживания и ремонте изделия. ИЭТР предоставляет в интерактивном режиме справочную и описательную информацию об эксплуатационных и ремонтных процедурах, относящихся к конкретному изделию. В самом деле, трудно и даже невозможно представить себе ремонт и обслуживание самолета или корабля без соответствующей технической документации. ИЭТР включает в себя базу данных (БД) и электронную систему отображения (ЭСО) для визуализации данных и обеспечения интерактивного взаимодействия с пользователем. БД. ИЭТР имеет структуру, позволяющую пользователю быстро получать доступ к нужной информации, и может содержать текстовую и графическую информацию, а также данные в мультимедийной форме. Нормативная база ИЭТР включает в себя международный стандарт ISO 8879, международная спецификация S1000D, российские рекомендации по стандартизации Р50.1.029-2001, Р50.1.030-2001. 74 В качестве приложений к ИЭТР разрабатываются вопросы организации эксплуатации сложных технических объектов штатным обслуживающим персоналом, иллюстрируются алгоритмы действий конкретных операторов (в том числе при аварийных ситуациях и при ликвидации аварий). Использование только ИЭТР не позволяет решать одну из наиболее важных задач информационной поддержки–обучение персонала. Эта задача решается при использовании специализированных КОС (компьютерных обучающих систем). Они рассчитаны как на самостоятельную работу обучаемых, так и на групповые формы обучения и обеспечивают контроль качества усвоения материала. Создание ИЭТР и КОС требует от исполнителей тесного взаимодействия с разработчиками и производителями наукоемкой продукции. Польза от этого сотрудничества обоюдная:  компьютерное моделирование, работа сценаристов позволяют выявить ошибки и неоднозначные описания в технической документации;  работа с конструкторами, технологами, фотографирование, видеосъемка производственных процессов обеспечивают иллюстрацию недостаточно понятно описанных в бумажной документации технологических процессов. ИЭТР представляют собой разновидность электронной эксплуатационной документации (ЭЭД). Рассмотрим способы подготовки ЭЭД в системе TGBuilder, разработанной НИЦ CALS-технологий «Прикладная логистика». Создание ЭЭД в системе TGBuilder В системе TGBuilder реализованы принципы и методики построения ЭЭД, изложенные в стандарте AECMA1000D, разработанном Европейской ассоциацией производителей аэрокосмической техники. Кратко основные положения этого стандарта можно охарактеризовать так ЭЭД – это техническая информация, представленная как совокупность модулей данных (МД), каждый из которых имеет статусную (идентификационную) и содержательную части. В ходе разработки документации создаваемые МД помещаются в общую базу данных (Common Source Data Base). При публикации документа из базы данных извлекается определенный набор МД, составляющих нужный документ в бумажной или электронной форме (Electronic Technical Publication).Такой документ в терминах указанного стандарта называют электронной публикацией. Комплект публикации составляет ЭЭД на изделие. Процесс создания ЭЭД включает в себя этапы:  формирования требований к ЭЭД;  подготовка материалов и создание ЭЭД в соответствии с требованиями. Требования к эксплуатационной документации, изложенные в международных и государственных стандартах, касаются структуры, оформления и содержания разрабатываемой документации. Как правило, автор эксплуатационной документации должен знать не только техническую сторону вопроса, но и стандарты на оформление создаваемой документации. В системе TGBuilder автор создает документацию в рамках определенного шаблона, являющегося типовой формой для создания ЭЭД. Для разработки шаблона необходимо проведение анализа существующей нормативной базы, самого изделия, технических условий и требований заказчика. Шаблон учитывает, что у каждого модуля данных (МД) есть идентификационная (статусная) и содержа75 тельная части. Типы модулей данных по стандарту AECMA1000D приведены в таблице. После разработки шаблона автор может переходить непосредственно к процессу создания ЭЭД, который начинается с разработки плана-проспекта. План-проспект является по сути оглавлением, в котором отражена структура ЭЭД на описываемое изделие. Создавая оглавление ЭЭД в соответствии с ранее разработанным шаблоном структуры и определяя все необходимые шаблоны типовых МД, автор получает план-проспект документации Кодирование разделов и МД проводится по указанной в шаблоне схеме. Значения полей кода выбираются разработчиком из присоединенных к схеме справочников стандартных значений. После формирования плана-проспекта руководитель проекта может раздать задания на подготовку частей ЭЭД группе авторов. В TGBuilder существуют механизмы постановки, контроля и управления заданиями. Для удобства просмотра текущего состояния работ можно использовать встроенный редактор диаграмм Ганта. Электронные каталоги предназначены для хранения перечней многоразового использования каких-либо объектов, например для хранения каталога деталей и сборочных единиц, ведомости запчастей, инструментов и принадлежностей (ЗИП) и т.п. в табличном виде. В TGBuilder предусмотрен экспорт электронного каталога в формат MS Excel, который является самым распространенным форматом обмена электронными таблицами. С помощью диаграмм технологического процесса можно представить процессы поиска и устранения неисправностей, процессы ремонта, осмотров и т.п. При этом можно использовать три варианта отображения диаграмм:  текстовый список действий;  иллюстрация;  диалог «вопрос–ответ». Представление диаграммы в виде диалога позволяет пользователю ЭЭД просматривать на дисплее описание последовательности действий в зависимости от выбранных ответов. При этом описание каждого действия может сопровождаться иллюстрацией. После формирования всех МД и наполнения их содержательных частей разработку ЭЭД можно считать законченной. Однако задачи системы TGBuilder не ограничиваются только разработкой ЭЭД. Система имеет инструменты, позволяющие сопровождать документацию после опубликования: вносить и вести учет изменений, публиковать обновления. 76 Использование 3D моделей при создании ИЭТР В настоящее время все большее распространение получают так называемые виртуальные руководства, содержащие анимированное представление процессов (симуляции) обслуживания и ремонта на основе использования 3D моделей изделий и их компонентов. Для создания таких руководств используются специальные средства, к которым можно отнести систему Virtual Manual (VM), разработанную компанией ParallelGraphics. Чтобы 3D - симуляции можно было просматривать средствами Интернет, они преобразуются в формат HTMLстраницы. Общая схема создания виртуального руководства выглядит следующим образом. На первом этапе экспортированные из CAD-системы в формате VRML97 данные обрабатываются подсистемой VMG, которая импортирует и оптимизирует полученную 3D-геометрию. Оптимизация выполняется одной из служебных программ, которая соответствует конкретной CAD-системе. После оптимизации данных в специальной папке создается VM-проект. На следующем этапе с помощью подсистемы VME создается 3Dсимуляция. Для этого сначала при необходимости корректируется иерархия сцен, полученная из CAD-системы, добавляется новая геометрия, удаляются не имеющие отношения к технической процедуре детали. Далее с помощью использования специального набора команд (действий) строится 3D-анимация. Например, в процедуре ремонта прибора сначала необходимо вывинтить четыре винта и снять крышку. Поэтому нужно сначала последовательно применить для винтов действие «вывинтить», а затем для крышки – действие «снять». В результате, в создаваемой 3D-симуляции эти действия будут воспроизведены в режиме реалистичной 3D-имитации. Пример экрана при работе в VME показан на рисунке 2.10. Рис. 2.10. Пример экрана при работе в VME 77 ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОНЦЕПЦИИ CALS/ИПИ Для предприятий, выполняющих крупномасштабные и наукоемкие проекты, характеризующиеся многономенклатурностью изделий и длительным циклом разработки, производства и эксплуатации, наиболее актуальна проблема организации совместной работы множества географически удаленных бизнеспартнеров, участвующих в проекте по созданию изделия. При этом необходимо обеспечить интеграцию и совместное использование информации, порождаемой на всех этапах ЖЦИ, в рамках единого информационного пространства. 3.1. Основы единого информационного пространства В основе единого информационного пространства (ЕИП) лежит использование: 1. открытых архитектур; 2. совместных хранилищ данных; 3. апробированных программно-технических средств; 4. международных стандартов. 1. Открытая архитектура— архитектура компьютера, периферийного устройства, на которую опубликованы спецификации (описание поведения), что позволяет другим производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с такой архитектурой. Открытое программное обеспечение – программное обеспечение с открытым исходным кодом. Исходный код таких программ доступен для просмотра, изучения и изменения, что позволяет пользователю принять участие в доработке программы. 2. Совместное хранилище данных – предметно-ориентированный, интегрированный, неизменчивый, поддерживающий хронологию набор данных, организованный для целей информационной поддержки ЖЦИ. 3. Апробированные программно-технические средства Программно-технические средства (ПТС), применяемые в CALSтехнологиях, можно разделить на 2 группы.  ПТС, используемые для создания и преобразования информации об изделиях, производственной среде и процессах, применение которых не зависит от CALS-технологий (табл. 3.1);  ПТС, применение которых конкретно связано с CALS-технологиями и требованиями соответствующих стандартов (табл. 3.2). 4. Стандартизация. Понятие CALS можно рассматривать как концепцию организации и интегрированной информационной поддержки ЖЦИ, основанную на безбумажном обмене данными и стандартизации представления данных на этапах ЖЦ. Поэтому вопросы стандартизации являются важной частью CALS, они рассматриваются в следующем пункте конспекта. Таблица 3.1. Программно-технические средства, независимые от CALS-технологий Наименование системы Офисные системы: текстовый редактор Наименование программного продукта MS Office: Word 78 Фирма-изготовитель (страна) Microsoft Corp. (США) электронные таблицы Системы автоматизированного проектирования (CAE/CAD/CAM) Excel AutoCAD Unigraphics CATIA ProEngineer SolidWorks SolidEdge CADDS CadKey ANSYS Euclid T-Flex КОМПАС Кредо Средства ЭЦП– «Крипто Офис» идентификации и аутен- «Верба» тификации информации PGP PrivaSeal Средства планирования SAP R/3 и управления произBAAN IV водством (MRP/ERP) J.D. Edwards Oracle Application Autodesc (США) Unigraphics Solutions(США) Dassault Systems (США) Parametric Technology Corp. (США) SolidWorks Co (США) UGS (США) Parametric Technology Corp. (США) CadKey Corp.(США) ANSYS, Inc.(США) Matradatavision (Франция) AO «Топ системы» (Россия) АСКОН (Россия) НИЦ АСК (Россия) ЛАН Крипто (Россия) МО ПНИЭИ (Россия) NetWork Associates inc.(США) Aliroo Ltd (Израиль) SAP AG (ФРГ) Baan Engineering (США) J.D. Edwards (США) Oracle Corp. (США) Таблица 3.2. Программно-технические средства, зависимые от CALS-технологий Наименование системы Системы управления данными об изделии (PDM) Системы управления проектами (Project Management) Средства управления потоками заданий и Наименование Фирма-изготовитель программного продукта (страна) PDV STEP Suite (PSS) НИЦ «Прикладная логистика» (Россия) TeamCenter Engineering EDS (США) (iMAN) Windchill PTC (США) Matrix MatrixOne Co (США) TeamCenter Engineering EDS (США) (Mttaphase) Enovia IBM Co (США) Agilee Agile Software Co (США) PART Y Лоция Софт (Россия) ЛОЦМАН PLM AСКОН (Россия) MS Project Microsoft Corp. (США) Open Plan PTC (США) PrimaveraProject Planner PrimaveraSistems, Inc (P3) (США) CoCreate Work Manager CoCreate Software, GmbH (ФРГ) 79 документооборотом (Work Flow) Staffware Staffware Plc (Великобритания) Casewise CASEwise Systems(США) Product Center Workgroup Technology Corp. (США) Средства поддержки ИЛП Комплекс программных LBS (Великобритания) продуктов Средства подготовки интер- Technical Guide Builder НИЦ «Прикладная активных электронных (TGB) логистика» (Россия) технических руководств Средства функционального WorkFlow Modeller Metaosoft Corp. (США) моделирования, анализа и BRWin Computer Associates реинжиниринга бизнес(США) процессов ARIS IDS Scheer AG (ФРГ) 3.2. Стандарты CАLS-технологий К настоящему времени разработаны около 250 стандартов, которые условно разделены на шесть групп. 1) Функциональные стандарты регламентируют процессы и методы формализации данных об изделии и руководство по применению CALSтехнологий: описание информационного содержания процессов управления конфигурацией, поставки запасных частей, технического обслуживания, ремонта, изменения информации об изделии, о неисправностях и рекламациях. 2) Информационные стандарты – по данным об изделии и процессах: определяют информационные элементы, отношения, защиту и доступность данных. Эти стандарты обеспечивают единое представление текста, графики, данных для производства и сопровождения изделия. Например, стандарт общего описания изделия и доступа STEP– Standard for the Exchange of Product data, формирование библиотек данных о комплектующих (PLIB), представление производственных данных (MANDATE), стандарт по графике (IGES), общее описание ЖЦИ (IDEF). В стандартах STEP представлен инвариантный к приложениям язык унифицированного представления данных и обмена данными в компьютерных среде Express. Этот язык составляет основу лингвистического обеспечения. 3) Стандарты технического обмена и хранения данных. 4) Стандарты по защите, шифрованию информации. 5) Стандарты по электронной подписи с подтверждением целостности электронного документа. 6) Стандарты общего назначения – присвоение имени данным, регистрация. Идеология CALS рассчитана на полное применение стандартов ISO, MIL, MEK. Значительная часть их аналогов действует в России (например, ГОСТ ИСО 9000-2001 «Системы менеджмента качества. Основные термины и словарь»). Основные стандарты CALS приведены в таблице 3.4. 80 Основные стандарты CALS/ИПИ – технологий Этап ЖЦ Название Назначение Проектирование ISO 10303 Функциональное моделирои анализ бизнес (STEP) вание ЖЦ и выполняемых процессов ГОСТ Р 10303 бизнес - процессов ISO 13584 Формат данных о библиотеках деталей и поставщиков ISO 8879 Способ представления информации ISO 10179 Требования к стилю и формату электронной документации … … Эксплуатация, MIL-M-87268 Требования к электронным материальноруководствам: содержание, техническое стиль, формат, интерфейс снабжение MIL-D-87269 Требования к оформлению баз данных и электронных справочников по изделиям DEF-STAN Формат данных в процессах 00-60 снабжения Таблица 3.4. Объект описания ЖЦ, бизнеспроцессы Данные о компонентах изделия Тех. документация на изделие То же … То же То же Объекты снабжения Стандарты по логистической поддержке • В конце сентября 2014 г. Приказами Росстандарта, утверждены следующие стандарты • с датой введения в действие 1 сентября 2015 г.: • ГОСТ Р 56111-2014 Интегрированная логистическая поддержка экспортируемой продукции военного назначения. Номенклатура показателей эксплуатационно-технических характеристик; • ГОСТ Р 56129-2014 (МЭК 62402:2007) Интегрированная логистическая поддержка экспортируемой продукции военного назначения. Управление номенклатурой устаревающих покупных комплектующих изделий; • ГОСТ Р 56112-2014 Интегрированная логистическая поддержка экспортируемой продукции военного назначения. Общие требования к комплексным программам обеспечения эксплуатационно-технических характеристик; • ГОСТ Р 56113-2014 Интегрированная логистическая поддержка экспортируемой продукции военного назначения. Планирование материально-технического обеспечения. Основные положения; • ГОСТ Р 56114-2014 Интегрированная логистическая поддержка экспортируемой продукции военного назначения. Требования к проведению анализа логистической поддержки экспортируемой продукции военного назначения; • ГОСТ Р 56130-2014 Интегрированная логистическая поддержка экспортируемой продукции военного назначения. Оценка затрат на техническую эксплуатацию на стадии разработки; • ГОСТ Р 56131-2014 Интегрированная логистическая поддержка экспортируемой продукции военного назначения. Порядок выполнения 81 • • • • • работ по интегрированной логистической поддержке в ходе жизненного цикла продукции военного назначения; ГОСТ Р 56132-2014 Интегрированная логистическая поддержка экспортируемой продукции военного назначения. Состав и формат данных, собираемых в ходе эксплуатации авиационной техники; ГОСТ Р 56133-2014 Интегрированная логистическая поддержка экспортируемой продукции военного назначения. Состав и формат данных, собираемых в ходе эксплуатации бронетанковой техники; ГОСТ Р 56134-2014 Послепродажное обслуживание экспортируемой продукции военного назначения. Общие положения; ГОСТ Р 56135-2014 Управление жизненным циклом продукции военного назначения. Общие положения; ГОСТ Р 56136-2014 Управление жизненным циклом продукции военного назначения. Термины и определения. 3.4. Задачи и функции PDM-системы Использование CALS-технологий предусматривает двухэтапный переход к ЕИП (рис.3.1): 1. Автоматизация отдельных процессов ЖЦ и обмен данными отдельными файлами между приложениями - программами с импортом и экспортом файлов (связи показаны пунктирными линиями); 2. Интеграция в рамках ЕИП процессов и данных в режиме реального времени с использованием специального интерфейса SDAI– Standard Data Access Interface – стандартный интерфейс доступа к данным (сплошные линии). базы данных по изделию EXPRESS Протоколы применения SDAIинтерфейс импорт/ экспорт файлов CAD Обменный файл CAM CAE PDM ERP другие STEPсовместимые приложения EXPRESS Протоколы применения Рис. 3.1. Схема использования международного стандарта ISO 10303 STEP для обмена данными: ––––– – вызовы функции SDAI; - - - - – передача обменного файла 82 Наиболее эффективный способ информационной интеграции – применение PDM- системы для управления всеми данными об изделии и информационными процессами в ЖЦИ. PDM выступает как средство интеграции САПР, АСУП и аккумулирует данные в модель на основе интерфейсов (рис.3.2). PDM-система Стандартный интерфейс взаимодействия Прикладные системы Маркетинг Прикладные системы Проектирование Прикладные системы Прикладные системы Производство Поставка Прикладные системы Эксплуатация Этапы ЖЦ Рис.3.2. Создание ЕИП на основе РDM-системы Вертикальная интеграция – хранение и передача данных в PDM-систему и обратно от прикладных систем, горизонтальная – между PDM и АСУП. Функции PDM-системы: 1. Управление хранением данных и документов в папках. Хранилище должно обеспечивать авторизацию доступа, поиск информации, целостность данных, архивирование, резервное копирование, восстановление данных. 2. Управление процессами – отслеживает действия пользователей, версии файлов, управляет потоком работ, ведет протокол действий пользователей и изменения данных. 3. Классификация информации с целью повторного использования. 4. Управление составом изделия в связи с наличием различных представлений состава: конструкторского, технологического, маркетингового и т.д. 5. Календарное планирование. Проект делится на задачи и отслеживается ход их выполнения. 6. Вспомогательные функции:  коммуникационные – электронная почта;  транспортирование данных;  трансляция (перевод) данных в формат STEP;  обработка изображений;  администрирование – обеспечение безопасности, выполнение настроек. Принципы создания PDM:  в основе хранилища данных лежит коммерческая СУБД типа Oracle, IBM;  поддержка стандартов;  поддержка компьютерных платформ UNIX, Windows;  поддержка графического интерфейса с пользователем;  работа в сети Интернет. 83 3.5. Интегрированная логистическая поддержка Сокращение затрат на поддержку ЖЦИ – одна из целей концепции CALS/ИПИ. Комплекс мероприятий, направленных на сокращение этих затрат, объединяют понятием интегрированная логистическая поддержка (ИЛП), ILS – Integrated Logistic Support). Движение изделия по этапам ЖЦ с точки зрения логистики – логистический процесс. ИЛП включает решение следующих задач:  Проработка вопросов логистической поддержки путем проведения логистического анализа (ЛА). ЛА решает следующие задачи: определение требований к готовности изделия; определение допустимых затрат и ресурсов, необходимых для поддержания изделия в нужном состоянии; создание баз данных, необходимых для отслеживания затрат и других параметров в ходе ЖЦИ.  Создание электронной документации (ЭД) для закупки, поставки, ввода в действие, эксплуатации, обслуживания и ремонта изделия для определения в каждый момент времени объема работ, ресурсов и затрат.  Применение стандартизованных решений по кодификации изделий и предметов снабжения.  Применение стандартизованных процессов поставки изделий и комплексных средств материально-технического снабжения (КС МТО), создание компьютерных систем поддержки этих процессов.  Постоянный контроль за планируемой и реальной стоимостью ЖЦ изделия с целью доказательства пользователю оптимальности стоимости ЖЦ. На рис. 3.3 представлена внедрение ИЛП в ЖЦИ, которая включает разработку стратегии и системы поддержки эксплуатации изделия на этапах проектирования и саму поддержку в ходе эксплуатации. На этапе разработки технического задания (ТЗ) намечаются методы поддержки эксплуатации и проводятся предварительные расчеты стоимости ЖЦИ. Этапу проектирования и производства соответствует этап проектирования ИЛП - системы: определяется конструкция изделия, обеспечивающая наилучшую пригодность к поддержке эксплуатации. Каждый вариант конструкции имеет свои характеристики и соответственно характеристики ИЛП, поэтому возникает необходимость управления конфигурацией – соблюдения правил изменения конструкции и их документирования. На этапе эксплуатации проводится постоянный мониторинг состояния изделия с целью проверки фактических и расчетных значений характеристик изделия. Выявленные несоответствия может повлечь пересмотр ИЛП-системы, в худшем случае – конструкции или даже концепции изделия. После утилизации оценивается ЖЦИ и эффективность ИЛП для архивации данных. Такой сложный и дорогостоящий процесс, как организация ИЛП, нуждается в тщательной регламентации. Первым стандартом стала спецификация министерства обороны США VIL-D-1388, принятая в конце 1980-х гг. Следующий, более прогрессивный – стандарт Великобритании DEF STAN 00-60, в котором рассмотрены вопросы его адаптации, а условия реализации ИЛП фиксируются в контракте на поставку изделия. Учитывая высокую степень формализации заполнения контрактных документов на осуществление ИЛП, целесообразно начинать внедрение ИЛП на предприятии с составления данной документации. 84 Разработка и поставка изделия Определение потребности в изделии Разработка стратегии поддержки эксплуатации изделия Разработка стратегии ЛА Первичный расчет стоимости ЖЦ Разработка концепции изделия (ТЗ) Эксплуатация изделия Проекторование и производство Проектирование системы поддержки эксплуатации Логистический анализ Проектирование КС МТО Расчет стоимости ЖЦ Разработка электронной документации Другие элементы ИЛП Эксплуатация и мониторинг состояния изделия Поддержка эксплуатации изделия Актуализация БД ЛА Поддержка стоимости ЖЦ Актуализация КС МТО Актуализация электронной документации Актуализация других элементов ИЛП Предложения по изменеию конструкции изделия Рис. 3.3. Структурирование ИЛП в ЖЦ изделий Утилизация изделия Завнршение поддержки эксплуатации изделия Архивирование БД ЛА Окончательный расчет стоимости ЖЦ 3.6. CALS/ИПИ - технологии и реинжиниринг предприятия Реинжиниринг – фундаментальное переосмысление и радикальное перепроектирование бизнес-процессов предприятия для достижения коренных улучшений в наиболее важных показателях их деятельности – стоимости, качества и сроков. Реинжиниринг является одним из фундаментальных положений концепции CALS. На начальной фазе реинжиниринга необходимо ответить на фундаментальные вопросы о деятельности компании: почему компания делает именно то, что она делает; почему компания делает это таким способом и какой хочет стать. Основные принципы реинжиниринга: 1. рассмотрение деятельности предприятия не с точки зрения функционирования ее структурных подразделений, а с точки зрения организации и протекания в ней бизнес-процессов. Бизнес-процесс – логически завершенная цепочка взаимосвязанных и повторяющихся видов деятельности, в результате которых ресурсы предприятия используются для переработки объекта (физически или виртуально) с целью достижения определенных измеримых результатов или создания изделия для удовлетворения внутренних или внешних потребителей. В качестве клиента бизнес-процесса может выступать другой бизнес-процесс. В цепочку обычно входят операции, которые выполняются по определенным бизнес-правилам. Под бизнес-правилами понимают способы реализации бизнес-функций в рамках бизнес-процесса, а также характеристики и условия выполнения бизнеспроцесса. Бизнес-функция – это шаг – операция, действия людей, участвующих в бизнес-процессе. Составляющие бизнес-процесс действия могут выполняться людьми (вручную или с применением компьютерных средств или механизмов) или быть полностью автоматизированы. Порядок выполнения действий и эффективность работы того, кто выполняет действие, определяют общую эффективность бизнес-процесса. 2. переход предприятия на использование новых информационных технологий. Их применение может привести не только к принципиальным изменениям в деятельности сотрудников, но и к полной замене существующих бизнес-процессов. Проект по реинжинирингу обычно включает следующие четыре этапа: 1. Разработка образа будущей компании. На этом этапе компания строит картину того, как следует развивать бизнес, чтобы достичь стратегических целей. 2. Анализ существующего бизнеса. Проводится исследование деятельности предприятия и составляются схемы его функционирования в настоящий момент. 3. Разработка нового бизнес- проекта. Разрабатываются новые и (или) измененные процессы и поддерживающая их информационная система. Выполняется моделирование и тестирование новых процессов. 4. Внедрение нового бизнеса. На этом этапе новый проект внедряется в предприятие. 86 Организационные аспекты реинжиниринга Рассмотрим возможные организационные изменения, которые могут происходить в результате проведения реинжиниринга. 1. Переход от функциональных подразделений к командам процессов. По сути реинжиниринг объединяет в единое целое процессы, которые ранее были разбиты на отдельные части. В традиционно организованной компании люди распределяются по отделам, лабораториям, группам и т.п., в которых они выполняют предписанные им функции (части процессов). Эта фракционность создает множество проблем и в частности проблему несогласованности и даже противоречивости целей различных групп людей. Реинжиниринг предлагает альтернативный подход, состоящий не в разделении людей по подразделениям, а в объединении их в команды процессов, т.е. в группы людей, выполняющих совместно законченную часть работы – процесс. Эти команды заменяют старые подразделения. 2. Работа исполнителя изменяется от простой к многоплановой. Люди, работающие в команде, отмечают, что их работа значительно отличается от работы, которую они исполняли в функциональном подразделении. Член команды несет (совместно с другими членами команды) ответственность за весь процесс, что требует умения не только выполнять свое задание, но и понимать весь процесс в целом и уметь при необходимости выполнять несколько заданий. Работа члена команды становится более содержательной, так как из нее устраняются излишние проверки, согласования, ожидания, вызванные преодолением границ между подразделениями традиционной компании. 3. Изменяются требования к подготовке сотрудников. Традиционные компании готовят сотрудников на обучающих курсах, цель которых обучить, как выполнять некоторую конкретную работу или как управлять той или другой специфической ситуацией. В связи с многоплановостью и изменяемостью работ, ориентированных на процессы, компании должны заботиться не только о проведении обучающих курсов, но и о непрерывном образовании сотрудников. 4. Изменяется оценка эффективности работы и оплата труда. В традиционной компании схема оплаты довольно прямолинейна: людям платят за отработанное время. Понятно, что это далеко не самый эффективный способ оплаты, однако при разбиении работы на простые задания компания не имеет возможности оценить эффективность узкого задания. Кроме того, увеличение эффективности узко определенного задания не всегда приводит к увеличению эффективности всего процесса. После проведения реинжиниринга команда отвечает за результаты процесса, и в этом случае компания может измерить эффективность работы команды и оплатить ее в соответствии с полученным результатом. 5. Изменяется распределение ролей между сотрудниками компании. Новая структура компании строится на управлении бизнес-процессами и производственными ресурсами (рис. 3.4). В ней можно выделить типовые роли сотрудников. Руководитель компании назначает владельцев ресурсов и владельцев процессов: по одному для каждой функции и для каждого процесса. Владелец ресурса имеет долговременные права и несет долговременную ответственность за ресурсы, относящиеся к его конкретной функции. 87 Владелец процесса несет оперативную ответственность за ресурсы, предоставленные в его распоряжение, чтобы выполнить конкретный процесс. Оператор процесса является исполнителем, которого владелец процесса приглашает к себе на работу и с которым заключает соглашение. Заключается трехстороннее соглашение между оператором, владельцем процесса и владельцем ресурса. Предложения по такому соглашению представляются оператору и, если тот соглашается с ними, все стороны подписывают и принимают их. Кроме того, владелец процесса назначает руководителя (лидера) для каждого из своих конкретных процессов. Этот лидер несет оперативную ответственность за порученный ему конкретный процесс. Владелец процесса "закупает" ресурсы и услуги у владельцев ресурсов. Владельцы процессов при этом заинтересованы в хорошей репутации своих процессов, дающей им право приглашать к себе лучших сотрудников. Каждый сотрудник будет стараться выполнять свои функции наилучшим образом, чтобы у владельцев процессов было желание "покупать" его услуги. Рис. 3.4. Структура новой компании: ВР – владелец ресурса; ВП – владелец процесса; О – оператор процесса Моделирование бизнес-процессов. При анализе существующего и разработке нового бизнеса важную роль играет построение моделей компании и протекающих в ней бизнес-процессов. Модели могут различаться степенью детализации процессов, формой их представления, учетом только статических или также динамических факторов и др. Все известные подходы к моделированию бизнеса принадлежат к семейству методов моделирования сложных информационных систем. Модель компании в общем случае представляет собой совокупность функциональной, организационной и информационной моделей.  функциональная модель описывает совокупность функциональных подсистем и связей, отражающих порядок взаимодействия подсистем при функционировании компании или ее подразделений;  организационная модель описывает структуру подразделений компании;  информационная модель описывает потоки информации, существующие в функциональной и организационной моделях. 88 К традиционным средствам построения моделей сложных систем относится методология SADT (Structured Analysis Design Technique– метод структурного анализа проектирования). Предлагаемые методы построения функциональных моделей, где описание систем осуществляется с точки зрения выполняемых ими функций, получили название методологии IDEF0 (Icam DEFinition, где Icam - это Integrated Computer-Aided Manufacturing, DEFinition – определение), отображающих причинно-следственные связи между объектами. Формой представления моделей в IDEF0 являются диаграммы, которые содержат блоки и дуги. Блоки изображают функции моделируемой системы и представляются в виде прямоугольников. Названиями блоков являются глаголы (например, ― Разработать ТП). Дуги в виде соединительных линий со стрелками связывают блоки и отображают взаимосвязи между ними. Дуги изображают объекты (например, данные или оборудование), и описываются существительными. Примеры конкретных отношений между функциями и объектами в диаграмме IDEF0 показаны на рис. 3.5. Дуги на диаграммах изображают интерфейсы между функциями системы, а также между системой и окружающей средой. I1 Чертежи изделия из пластмассы I2 Сборочные чертежи формы I3 Деталировочные чертежи формы I4 Технические требования к форме I5 Прелельно допустимое для заказчика время выполнения заказа Возможности производства С1 Согласованные сборочные чертежи Принять заказ Ор Согласованные деталировочные чертежи 1 Согласованные сроки и стоимость изготовления формы Изготовить пресс-форму Ор Технологический отдел цеха Инструментальное производство 2 Пресс-форма О1 для изготовления изделия из пластмассы Производственный персонал (руководство, ИТР, рабочие) М1 Экономический отдел цеха Точка зрения: Начальник инструментального цеха Рис.3.5. Пример бизнес-процесса в виде диаграммы IDEF0 Описание сложной системы всегда зависит от того, с какой точки зрения она рассматривается. На приведенном примере представлена точка зрения начальника инструментального цеха. 89 3.7. Работа с информацией в глобальных компьютерных сетях Одним из принципов работы в PDM-системах и концепции CALS является работа в глобальных сетях. Интернет (Internet) – глобальная компьютерная сеть, объединяющая компьютерные сети, взаимодействующие посредством протоколов TCP / IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol – протокол управления пересылками / протокол Интернета). IP – протокол обеспечивает доставку данных в виде пакетов, снабженных IPадресом. IP-адрес - числовой идентификатор, который присваивается каждому компьютеру (хосту), подключенному к Интернету. IP-адрес состоит из адреса сети и адреса данного хоста в этой сети и представляет собой четыре десятичных числа (от 0 до 255), разделенных точкой. Например: 217.174.97.59. WWW (World Wide Web) – Всемирная паутина – приложение Интернет, в основе которого лежит гипертекст. Гипертекст (Hypertext) – электронный текст, содержащий в своей структуре ссылки на адреса других файлов. Гиперссылка (Hyperlink) – слово или изображение в электронном документе, содержащие ссылку на другие файлы, Щелчок "мышью" по гиперссылке позволяет перейти к другому файлу или фрагменту электронного документа. Для записи гипертекстов используется язык разметки гипертекстов HTML. Язык HTML является международным стандартом, поэтому все гипертексты единым образом воспринимаются и отображаются на всех компьютерах во всем мире. Одним из лучших визуальных гипертекстовых редакторов является свободный офисный редактор Writer в свободном офисном пакете Open Office. Web-страница (HTML-документ) - логическая единица Интернет (точнее, Всемирной паутины), однозначно определяемая адресом (URL). Физически представляет собой HTML-файл. Может содержать текст, изображения, аудио - и видеофрагменты, Java-апплеты и другие элементы. Web-cтраница может быть статической или динамически сгенерированной (примеры динамических страниц - перечни результатов, выдаваемые поисковыми машинами). В случае использования фреймов, каждый фрейм рассматривается в качестве отдельной страницы. Логически связанная совокупность web-страниц образует сайт. Страницы загружаются пользователем на свой компьютер с помощью браузера. Браузер (Browser) – клиентская программа для работы вo Всемирной Паутине (WWW). Позволяет пользователю просматривать содержание webстраниц. Браузер обращается к web-серверу (сайту), запрашивает HTMLдокумент, интерпретирует полученную информацию и отображает документ на экране компьютера. Примеры браузеров: Mosaic, Netscape Navigator, Internet Explorer, Opera, Mozilla. Интерактивные сайты – это сайты, в которых используются интерактивные гипертекстовые подпрограммы, позволяющие вести диалог с пользователями ЭВМ, подключенных к сети. Гипертекстовые подпрограммы включаются в гипертексты вместе с гипертекстовыми формами и подпрограммами, которые называются скриптами. Для записи гипертекстовых подпрограмм (гипертекстовых скриптов) часто используется язык JavaScript, являющийся расширением языка разметки гипертекстов HTML. 90 Портал – (Portal) – Интернет-сайт, предоставляющий широкий спектр услуг, соответствующих потребностям среднестатистического пользователя. В перечень сервисов, как правило, входят поиск информации, бесплатная электронная почта, новостная лента, прогноз погоды, сведения о курсах валют, перечень ссылок на сетевые ресурсы и др. В большинстве случаев у порталов есть также значительное собственное содержательное наполнение. Цель порталов – в создании места в сети, с которого большое число пользователей регулярно начинает свою работу в Интернет и которые поэтому служат привлекательным местом для размещения рекламы. Порталами могут считаться сайты, имеющие стабильно высокую посещаемость. Большинство порталов сформировано вокруг поисковых машин и справочников Интернет-ресурсов. Помимо универсальных порталов, рассчитанных на всех пользователей без ограничения, существуют отраслевые (тематические) порталы, четко ориентированные на потребности определенной группы пользователей. Примеры: Yahoo!, Яндекс, КМ.RU, AUTO.RU. Блоги в Интернет – это сайты, совмещенные с интерактивными форумами для общения и публикации сообщений и комментариев посетителей сайтов. Поиск информации во Всемирной паутине был трудной и не самой приятной задачей, но с прорывом в технологии поисковых систем в конце 1990-х годов осуществлять поиск стало намного удобней. Поиско́вая систе́ма (англ. search engine) — это компьютерная система, предназначенная для поиска информации. Одно из наиболее известных применений поисковых систем — веб-сервисы для поиска текстовой или графической информации во Всемирной паутине. Существуют также системы, способные искать файлы на FTP-серверах, товары в интернет-магазинах, информацию в группах новостей Usenet. Работа поисковой системы заключается в том, чтобы по запросу пользователя найти документы, содержащие либо указанные ключевые слова, либо слова, как-либо связанные с ключевыми словами. При этом поисковая система генерирует страницу результатов поиска. Такая поисковая выдача может содержать различные типы результатов, например: веб-страницы, изображения, аудиофайлы. Некоторые поисковые системы также извлекают информацию из подходящих баз данных и каталогов ресурсов в Интернете. По состоянию на 2015 год самой популярной поисковой системой в мире является Google с 47% по опросам европейцев. На втором месте популярная поисковая система Yahoo с 18%. На третьем месте поисковик www.bing.com с 12%. На четвертом месте поисковая система www.aol.com с 5%. Однако есть страны, где пользователи отдали предпочтение другим поисковикам. Так, например, в России «Яндекс» обгоняет Google больше, чем на 10 %. Типы среды передачи с Интернетом:  проводное соединение (телефонный провод, коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель). Технологии проводных соединений: DVB, xDSL, DOCSIS, Ethernet, FTTx, Dial-up, ISDN, PLC, PON.  беспроводное соединение (радиоволны в определѐнном частотном диапазоне). Технологии беспроводных соединений: DVB, GPRS & EDGE,; CDMA / (EV-DO), Wi-Fi, DECT, Спутниковый Интернет, WiBro & WiMAX, LTE, iBurst. 91 Провайдер, ISP (Internet Service Provider), – поставщик доступа к Интернет, является посредником между пользователями и телекоммуникационным оборудованием, необходимым для доступа к различным линиям связи (телефонные, волоконно-оптические кабели; спутниковые каналы). Услуги провайдера, как правило, являются платными. В соответствии с предоставляемыми услугами их можно разделить на категории:  провайдеры доступа: первичные (магистральные) – транспортная телекоммуникационная инфраструктура для предоставления услуг связи; вторичные – пользуются трафиком первичных и работают с клиентами (Билайн, Дом.ру, Ростелеком Мегафон, МТС Ютел). Трафик (англ. Traffic — движение, грузооборот) — объѐм информации, передаваемой через компьютерную сеть за определѐнный период времени, измеряется как в пакетах, так и в битах, байтах и т.д;  хостинг-провайдеры – компания, предоставляющая услуги размещения оборудования, данных и web-сайтов на своих технических площадках (хостинг);  канальные провайдеры–предоставляют канал другому провайдеру;  провайдеры последней мили – обеспечивают связь на участке между оборудованием клиента и узлом доступа провайдера. На рис. 3.6. представлены ключевые уровни Интернета. Контент – информационное содержание сайта (тексты, графическая, звуковая информация и др.), а также книги, газеты, сборники статей. Рис. 3.6. Ключевые уровни Интернета 92 3.8. Обеспечение информационной безопасности Интегрированные информационные системы (ИИС), реализующие ИПИ технологии на промышленных предприятиях, оперируют большими объемами разнородной и важной информации, которая нуждается в защите от несанкционированного доступа. Основные принципы обеспечения информационной безопасности в ИИС определены положениями ГОСТ Р ИСО/МЭК 15408. В соответствии с его положениями безопасность связана с защитой активов (чаще всего – информации) от угроз, где угрозы классифицированы на основе потенциала злоупотребления защищаемыми активами. Во внимание следует принимать все разновидности угроз, но в сфере безопасности наибольшее внимание уделяется тем из них, которые связаны с действиями человека, злонамеренными или иными. Рис. 3.7 иллюстрирует высокоуровневые понятия безопасности и их взаимосвязь. Рис. 3.7. Понятия безопасности и их взаимосвязь Контрмеры предпринимаются для уменьшения уязвимостей и выполнения политики безопасности владельцев активов (прямо или косвенно распределяясь между этими составляющими). Но и после введения этих контрмер могут 93 сохраняться остаточные уязвимости. Такие уязвимости могут использоваться агентами угроз (нарушителями), представляя уровень остаточного риска для активов. Владельцы будут стремиться минимизировать этот риск, задавая дополнительные ограничения. Многие активы представлены в виде информации, которая хранится, обрабатывается и передается модулями ИИС таким образом, чтобы удовлетворить требования владельцев этой информации. Владельцы информации вправе требовать, чтобы распространение и модификация таких представлений информации (данных) строго контролировались специальными средствами контроля. Возможные угрозы, каналы утечки информации и перечень мероприятий по их устранению и ограничению рассматриваются как элементы в контексте понятия «Среда информационной безопасности» (СИБ). СИБ включает все законы, политики безопасности организаций, опыт, специальные навыки и знания, для которых решено, что они имеют отношение к безопасности. СИБ включает также угрозы безопасности, присутствие которых в этой среде установлено или предполагается. При установлении СИБ необходимо принять во внимание:  физическую среду ИБ в той ее части, которая определяет все аспекты эксплуатационной среды СИБ, касающиеся его безопасности, включая известные мероприятия, относящиеся к физической защите и персоналу;  активы, которые требуют защиты СИБ и к которым применяются требования или политики безопасности; они могут включать активы, к которым это относится непосредственно, типа файлов и баз данных, а также активы, которые косвенно подчинены требованиям безопасности;  предназначение СИБ, включая типы продуктов и предполагаемую сферу их применения. На основании исследования политик безопасности, угроз и рисков следует сформировать материалы, относящиеся к безопасности информации:  изложение предположений, которым должна удовлетворять СИБ для того, чтобы она считалась безопасной;  изложение угроз безопасности активов, в котором были бы идентифицированы все угрозы, прогнозируемые на основе анализа безопасности как относящиеся к СИБ. В ГОСТ Р ИСО/МЭК 15408 угрозы раскрываются через понятия источника угрозы, предполагаемого метода нападения, любых уязвимостей, которые являются предпосылкой для нападения, и идентификации активов, которые являются целью нападения. При оценке рисков безопасности будет квалифицирована каждая угроза безопасности с оценкой возможности ее перерастания в фактическое нападение, вероятности успешного проведения такого нападения и последствий любого возможного ущерба; Цель безопасности – это изложенное намерение противостоять установленным угрозам и/или удовлетворять установленной политике безопасности организации и предположениям. Необходимо, чтобы цели безопасности были согласованы с определенными ранее целями применения 94 или предназначением СИБ как продукта, а также со всеми известными сведениями о физической среде СИБ. В ГОСТ Р ИСО/МЭК 15408 представлены две различные категории требований безопасности – функциональные требования и требования доверия. Функциональные требования налагаются на те функции СИБ, которые определяют желательный безопасный режим функционирования СИБ. Функциональные требования определены в части 2 ГОСТ Р ИСО/МЭК 15408. Примерами функциональных требований являются требования к идентификации, аутентификации (проверке подлинности, например, пароля), аудиту (независимой проверке, оценке) безопасности и безотказности источника (невозможности отказа от отправки сообщения). Степень доверия для заданной совокупности функциональных требований может меняться – это выражается через возрастание уровня строгости, задаваемого компонентами доверия. Требования доверия налагаются на действия разработчика, представленные свидетельства и действия оценщика. Примерами требований доверия являются требования к строгости процесса разработки и требования по поиску потенциальных уязвимостей и анализу их влияния на безопасность. Доверие к тому, что цели безопасности достигаются посредством выбранных функций безопасности, зависит от следующих факторов:  уверенности в корректности реализации функций безопасности, т.е. оценки того, правильно ли они реализованы;  уверенности в эффективности функций безопасности, т.е. оценки того, действительно ли они отвечают изложенным целям безопасности. Требования безопасности обычно включают как требования наличия желательных режимов функционирования, так и требования отсутствия нежелательных режимов. Наличие желательного режима обычно можно продемонстрировать путем непосредственного применения или испытаний (тестирования). Не всегда удается убедительно продемонстрировать отсутствие нежелательного режима. Уменьшению риска наличия нежелательного режима в значительной мере способствуют испытания (тестирование), экспертиза проекта. В рамках Федеральной службы по техническому и экспортному контролю РФ (ФСТЭК России) разработана нормативно-техническая документация, регламентирующая процесс создания средств и систем информационной безопасности и имеющая форму руководящих документов (РД). К таким РД относятся: 1. Концепция защиты средств вычислительной техники и автоматизированных систем от несанкционированного доступа к информации; 2. Защита от несанкционированного доступа к информации. Термины и определения; 3. Средства вычислительной техники. Защита от несанкционированного доступа к информации. Показатели защищенности от несанкционированного доступа к информации; 4. Автоматизированные системы. Защита от несанкционированного доступа к информации. Классификация автоматизированных систем и требования по защите информации; 95 5. Временное положение по организации разработки, изготовления и эксплуатации программных и технических средств защиты информации от несанкционированного доступа в автоматизированных системах и средствах вычислительной техники; 6. Средства вычислительной техники. Межсетевые экраны. Защита от несанкционированного доступа. Показатели защищенности от несанкционированного доступа к информации; 7. Защита информации. Специальные защитные знаки. Классификация и общие требования; 8. Защита от несанкционированного доступа к информации. Часть 1. Программное обеспечение средств защиты информации. Классификация по уровню контроля отсутствия не декларированных возможностей; 9. Безопасность информационных технологий. Критерии оценки безопасности информационных технологий (Часть1, Часть 2, Часть3); 10. Безопасность информационных технологий. Положение по разработке профилей защиты и заданий по безопасности; 11. Безопасность информационных технологий. Руководство по регистрации профилей защиты; 12. Безопасность информационных технологий. Руководство по формированию семейств профилей защиты; 13. Руководство по разработке профилей защиты и заданий по безопасности. Требования РД являются обязательными для сертификации средств защиты информации и аттестации компьютерных сетей. Полный текст перечисленных РД размещен в Интернет по адресу официального сайта ФСТЭК России: www.fstec.ru. Список литературы 1. Информационная поддержка жизненного цикла изделия в машиностроении: принципы, системы и технологии CALS/ИПИ : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / [А.Н. Ковшов, Ю.Ф. Назаров, И.М. Ибрагимов, А.Д. Никифоров]. – М. : Издательский центр «Академия», 2007. – 304 с. 2. Евсин Е.А., Зубаирова Л.Х. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов: Учеб. пособие-2-е изд. Стереотип. / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2005. – 273 с. 3. Е.И. Яблочников, Ю.Н. Фомина, А.А. Саломатина. Компьютерные технологии в жизненном цикле изделия / Учебное пособие – СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. – 180 с. 96