5 ВВЕДЕНИЕ
С момента своего возникновения авиация и авиационное производство являлись областью приложения достижений научно-технического прогресса, и соответственно, как и любая другая наукоемкая отрасль, всегда чутко реагировали на влияние внешней среды [103]. Сегодня на фоне индивидуализации спроса, расширения использования средств автоматизации, ускорения обновления изделий авиационной техники, быстрого развития различных наукоемких отраслей, уменьшения объемов производств до оптимальных размеров предъявляются совершенно иные требования к степени информатизации процессов создания самолетов и организации их производства [120].
Опираясь на широко применяемые в авиастроении САПР-КТР и АСУТП такие, как «CATIA». «UNlGRAphics» и другие, можно выделить два направления повышения эффективности использования подобных систем: во-первых, это организация информационных баз данных по составу самолета и организации его производства, а во-вторых, это проектирование оптимизационных алгоритмов процессов создания самолетов.
На основании вышеизложенного, научной и практической проблемой в настоящей работе является разработка методик, приемов и правил совершенствования уже существующих и проектирование новых технических решений, проектно-технологических и управленческих процедур с применением САПР и АСУТП при организации производства самолетов.
Цель работы - совершенствование методов и средств информатизации организации производственных процессов сборки самолетов (на примере фюзеляжа).
Объект исследования - производственные процессы сборки самолета (на примере фюзеляжа).
Предметом исследования являются модели информатизации производственных процессов сборки самолетов (на примере фюзеляжа).
6
После проведения верификации используемых в настоящее время методов исследований для решения поставленной задачи автором был выбран комплексный экономико-математический метод — функционально-стоимостная инженерия, которая включает в себя элементы как системного и функционального анализа, так и математического, электронного и натурного моделирования. Применение ФСИ для анализа используемых при организации производства самолетов САПР и АСУТП позволяет существенно расширить теоретические и практические аспекты организации и совершенствования этих систем, так как функциональный подход, где критерием информативности, а, следовательно, и эффективности работы САПР и АСУТП является функция (как полезное свойство, действие и состояние объекта или системы и др.), дает дополнительную взаимоувязку всех компонентов систем, то есть возможность описания процессов, действий, свойств и явлений на языке выполняемых функций и их отношений.
Основными направлениями исследований являются:
1. Исследование структуры самолета (на примере основного агрегата -фюзеляжа) по критериям функциональности, трудоемкости и иерархичности построения (то есть входимости по уровням иерархии) с использованием методологии функционально-стоимостной инженерии.
2. Исследование структурной организации производственных процессов создания самолетов (на примере сборки фюзеляжа) на основе экономико-математических методов анализа проектно-технологической и управленческой информации (в том числе - документации) с целью математического моделирования его структуры в последовательности от самореализующихся функций до сборок и агрегатов (в виде функций) с использованием САПР и АСУТП.
3. Исследование организации сетевого планирования и управления разработками авиационного производства в САПР с использованием методологии функционально-стоимостной инженерии с целью выявить влияние функциональных показателей и наличия ресурсов (оптимальных алгоритмов)
на производственные процессы сборки самолета (на примере фюзеляжа) по критерию трудоемкости.
Схема направлений, последовательность исследований и анализ разработок представлены на рис.0.1.
Исходные данные
Технико-экономические и верификационные методы анализа и исследований
Единая методика оптимизации проектно технологических решений
Результат-эффект
Рис.0.1. Направления и последовательность проведения исследований и анализа разработок
Научной новизной в настоящей работе обладают следующие результаты, выносимые на защиту:
1. Методика проектирования информационного тезауруса САПР проектно-технологических функций по конструкции, технологии изготовления и организации производства самолетов (на примере фюзеляжа).
2. Методика оптимизации производственных процессов сборки самолетов (на примере фюзеляжа), реализованная в САПР на основе информационного тезауруса.
3. Методика проектирования сетевых моделей производственных процессов сборки самолетов (на примере фюзеляжа), реализованная в САПР на основе информационного тезауруса и оптимизационных алгоритмов.
8 Используемые при исследованиях и экспериментах базовые элементы:
1. Методики оптимизации проектно-технологических решений сборочных процессов авиационного производства - функция (как полезное действие), измеряемая трудоемкостью, обеспечивающая связь математических компонентов с проектно-технологическими функциями и стоимостными показателями в САПР и АСУТП с позиции функциональности на основе методологии ФСИ;
2. Методики оптимизации технологических процессов сборки фюзеляжа на основе оптимизационных алгоритмов и сетевого моделирования и управления разработками в САПР - время (Г, или %), обеспечивающее снижение общей трудоемкости создания самолета за счет оптимального распределения и объединения ресурсов при априорном расчете критического пути (L или 1кр).
В первой главе представлена и обоснована необходимость разработки перечня проектно-технологических функций по конструкции, технологии и организации производства самолета с решением проблемы декомпозиции конструкции и производственных процессов. Обоснована необходимость и сформулированы задачи разработки оптимизационных алгоритмов для создания самолетов на примере фюзеляжа - основного элемента самолета - с использованием САПР и АСУТП. Обосновывается применение экономико-математических методов оптимизации технологических процессов при проектировании и производстве самолета. Сформулированы основные выводы к главе.
Во второй главе изложены основные определения, понятия и правила общего информационного тезауруса САПР на основе государственных и международных стандартов. Сформулированы определения и правила организации информационного тезауруса САПР авиационного производства в виде перечня типовых проектно-технологических функций. Приведен алгоритм формирования дескрипторной статьи тезауруса. Показано, что упорядоченный состав проектно-технологических функций является одним из основных оптимизационных элементов проектов и технологических процессов при
9
проектировании самолета и организации его производства. Сформулированы выводы к главе.
В третьей главе формализуется функциональное описание производственных процессов сборки фюзеляжа на основе теории графов и функционально-стоимостной инженерии, проводится математическое моделирование производственных процессов сборки самолетов (на примере фюзеляжа) по времени и в зависимости от наличия ресурсов, разрабатываются оптимизационные алгоритмы производственных процессов сборки самолетов (на примере фюзеляжа), а также основная математическая модель последовательности сборки самолета (на примере фюзеляжа) с позиции функционально - стоимостного анализа по критериям функции и стоимости с использованием САПР и АСУТП. Формулируются выводы к главе.
В четвертой главе по результатам математического моделирования производственных процессов сборки самолетов (на примере фюзеляжа) разрабатывается методика проектирования сетевых моделей производственных процессов сборки самолетов (на примере фюзеляжа) при наличии полного информационного состава проектно-технологических функций и оптимизационных алгоритмов в базах данных САПР и АСУТП; приводятся численные примеры определения критических путей при создании фюзеляжа, определяется коэффициент конкордации, который должен использоваться для расчета трудоемкости со сведением разнородных ресурсов к одному - «функции-трудоемкости». Формулируются выводы к главе.
В пятой главе по проведенным исследованиям и экспериментам анализируются результаты и производится расчет экономической эффективности от внедрения результатов диссертации на ОАО "Авиастар-СП" (г. Ульяновск) в ценах 2001 - 2004 годов. Формулируются выводы к главе.
В разделе "Основные результаты и выводы" вследствие проведенных исследований и экспериментов обосновывается научная новизна работы и формулируются ее результаты.
Список литературы включает 120 наименований.
10
В приложении приложены три акта и справка о внедрении фрагментов диссертации на предприятиях приволжского административного округа и учебном заведении ИАТУ УлГТУ.
Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР по разделу "Исследование технологических процессов авиационного производства для создания самолетов с использованием информационного тезауруса в САПР и АСУТП" в ИАТУ УлГТУ. Работа прошла практическую проверку на промышленных предприятиях, признана своевременной и актуальной.
В исследованиях и экспериментах по теме настоящей работы принимали участие сотрудники управления главного технолога ОАО «Авиастар» г.Ульяновск; сотрудники службы главного технолога и главного металлурга Самарского авиационного объединения ОАО "Авиакор" и др.
Автору в настоящей работе принадлежат: системный и функциональный анализ проблемы исследований; методика проектирования информационного состава (перечня) типовых проектно-технологических, производственных и управленческих функций; методика оптимизации производственных процессов сборки самолетов (на примере фюзеляжа) в САПР на основе методологии ФСИ при наличии информационного тезауруса в САПР; методика проектирования сетевых моделей производственных процессов сборки самолетов (на примере фюзеляжа) по методологии ФСИ с использованием САПР при наличии информационного тезауруса и унифицированных алгоритмов САПР; процедура производства расчетов экономической эффективности результатов исследований и экспериментов с применением фактических цифр и ресурсов по конкретным предприятиям.
По теме диссертации опубликовано: 5 научно-технических статей, опубликовано докладов в научно-технических сборниках — 6; учебно-методической литературы с грифом УМО АРК - 2; авторских свидетельств — 3.
11
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ РАЗРАБОТКИ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА
ПРОЕКТНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И УПРАВЛЕНЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА САМОЛЕТОВ
Многочисленные исследования и статистические наблюдения процедур проектирования конструкции летательных аппаратов (в данном случае - самолетов) и технологических процессов их производства в автоматизированных системах показывают, что одним из определяющих факторов степени формализации постановочных задач является полнота информационной базы данных САПР. Информативность системы можно значительно повысить, если наряду с конструктивно-техническим и математическим описанием самолета ввести функциональное его описание с позиции функции (полезного действия, свойства или состояния). То есть, в соответствии с техническим заданием (ТЗ) на проектирование самолета формулируется его главная функция и далее соответственно декомпозиции конструкции по иерархии конструктивные и технологические функции, начиная от общей конструкции самолета до деталей и их элементов. Это позволяет при автоматизированном проектировании более полно описывать конструктивно-техническое решение того или иного агрегата, узла, детали, сборки, подсборки и конструкции самолета в целом. То же самое характерно и при проектировании средств технологического оснащения и технологических процессов производства самолетов.
Следовательно, ниже рассмотрим основные моменты использования САПР для проектирования конструкторско-технологических разработок для организации производства авиационной техники с использованием информационного тезауруса, а также рассмотрим последовательность организации и функционирования САПР, требований к ее разработке, непосредственной эксплуатации, с целью обоснования необходимости разработки тезауруса по конструкции, технологии изготовления, и организации производства самолета.
12
1.1. Требования к САПР, процедуры проектирования и производства самолетов с использованием этой системы
При проектировании авиационной техники по мере накопления опыта решения задач на отдельных этапах проектирования и управления разработками, развития теоретических основ построения проектирующих систем, совершенствования программного и технического оснащения появляется возможность все ближе подходить к использованию интегрированных систем с полным информационным обеспечением в виде упорядоченной совокупности математического и электронного моделирования самолета на основе информационного тезауруса. Информационный тезаурус разрабатывается с целью наполнения информационной базы автоматизированных систем проектирования объективными техническими решениями — комбинатами технических решений - по всей проектно-технологической цепи создания самолета, то есть, от общих технических требований к его конструкции до проведения комплексных и летных испытаний, с соответствующей взаимоувязкой всех конструктивных, технологических и математических (информационных) компонентов функционирования САПР-КТР [56].
Организация информационного тезауруса по конструкции, технологии изготовления и организации производства самолета наряду с математическим и электронным моделированием обеспечивает удовлетворение одного из важных требований использования автоматизированных систем в практике проектирования - это наличие полной информации о проектируемом объекте (самолете) еще до его создания в металле, то есть априорное моделирование в условиях полной информации (определенности).
Для преодоления психологического барьера на пути использования средств автоматизации к непосредственному участию в организации информационного тезауруса привлекаются конструкторские бюро.
Разрабатывая дополнительные подсистемы или адаптируя существующие подсистемы САПР, необходимо с самого начала использования САПР обеспечивать их аппаратурную, программно-техническую и информационную совмести-
13
мость для всех этапов проектирования, предусматривать возможность обеспечения пользователей-проектировщиков всей необходимой информацией: справочной, архивной, оперативной и др. [20]
Поскольку процесс проектирования самолета является трудом коллективным, важным требованием, предъявляемым к САПР-КТР, является обеспечение возможности параллельного ведения нескольких проектных задач с автоматическим распределением ресурсов системы между заданиями, а также совместного решения одной задачи несколькими исполнителями (например, комплексная система проектирования авиационной техники — CATIA или проектирования технологических процессов - UNIGRAphics и др.). В этой связи, САПР должна быть готова к реализации различных стратегий процесса проектирования и обеспечивать: выполнение рабочих процедур оптимизации технических решений при проектировании конструкции самолета; совершенствование процесса проектирования конструкций отдельных типовых агрегатов при модификации самолета; высокую надежность процесса проектирования, качество проектирования, быстродействие и эффективность по отношению к ручному проектированию.
На основании вышеизложенного сформулируем основные принципы для разработки системы автоматизированного проектирования или ее адаптации (в случае использования заимствованной САПР типа CATIA, UNIGRAphics и др.). К ним относятся: принцип включения, принцип системного единства, принцип развития (и саморазвития), принцип комплексности, принцип совместимости, принцип информационного единства, принцип стандартизации и унификации различных подсистем.
Принцип включения предусматривает возможность включения системы автоматизированного проектирования в более сложную систему — САПР проектной организации (САПР-ПО), которая и определяет требования к ее созданию, адаптации и функционированию, например, совместно с АСТПП, и стратегию дальнейшего развития и самоорганизации, и др.
14
Принцип системного единства заключается в том, что при создании (или адаптации), функционировании и развитии САПР связи между входящими в нее подсистемами обеспечивают целостность системы [38].
Принцип развития состоит в том, что САПР разрабатывают (развивают) с учетом возможности ее адаптации на различные отрасли машиностроения (такие как UNIGRAphics, CATIA, CIMATRON и др.), совершенствования и обновления компонентов САПР, развития элементной и информационной базы, программного и математического обеспечения и связей между ними.
Принцип комплексности предполагает обеспечение согласования и связности отдельных элементов (компонентов) и всего объекта в целом на всех стадиях проектирования с помощью соответствующих подсистем САПР (например, в системе CATIA — подсистемы «Проектирование», «Производство прочностных расчетов»; «Конструкторская документация» и др.) [38].
Принцип совместимости заключается в обеспечении совместного функционирования всех подсистем САПР и сохранении открытой структуры системы в целом (например, в системах CATIA или UNIGRAphics — более 100 подсистем, притом самостоятельных, работающих как отдельная система). Это достигается соответствующим согласованием интерфейсной связи, символами (даже машинными языками), информационными и структурными связями между подсистемами и компонентами САПР. Например, наличие абсолютно совместимых между собой подсистем «Конструкторская документация», «Проектирование», «Производство прочностных расчетов» и др. в системах высоких версий, таких как CATIA, UNIGRAphics, CIMATRON, CADDS-5 и др. позволяет создавать единую систему проектирования и разработки проектной документации, такую как автоматизированная система конструкторско-технологической документации авиационного производства (АСКТД АП) [3].
Принцип информационного единства состоит в том, что в подсистемах и компонентах различных САПР необходимо использовать единую систему терминов, символов, условных обозначений, проблемно-ориентированных языков программирования и способов представления информации, установленных государ-
15
ственными, международными стандартами и отраслевыми нормативами документами (ОСТ). Принцип информационного единства предопределяет организацию и создание информационного тезауруса и в частности, тезауруса по конструкции самолета и организации его производства [14].
Принцип стандартизации и унификации заключается в проведении типизации, унификации и стандартизации подсистем и компонентов САПР, инвариантных к проектируемым объектам и отраслевой специфике (или к предметной области проектирования и управления разработками), а также выработке соответствующей методологии (совокупности процедур, правил и методик проектирования) с целью упорядочения деятельности в области создания, адаптации и развития САПР конструкторско-технологических разработок.
Принцип эргономичности заключается в обеспечение абсолютной совместимости пользователя-проектировщика с машинной системой (то есть САПР) при работе в интерактивном и оперативном режиме диалога и др.
Процесс разработки проекта самолета и его составляющих, в том числе технологического оснащения и технологических процессов - это творческий акт или процесс, и он никогда не может быть формализован до конца. В этой связи, наряду с конструктивно-техническим и математическим описанием конструкции самолета или любого другого летательного аппарата (ЛА), необходимо еще функциональное описание объекта (самолета) и его элементов на языке выполняемых функций и их отношений, то есть, необходим информационный тезаурус - словарь типовых формулировок проектно-технических и управленческих функций по конструкции любого ЛА. Это обеспечит возможность получить дополнительную информацию об объекте проектирования при использовании САПР-КТР. Поэтому для анализа процессов проектирования самолетов в САПР, рассмотрим основные этапы и процедуры проектирования самолетов в названной системе по классической схеме.
В основном техническая необходимость в проектировании нового типа самолета возникает по двум основным причинам:
16
1. Происходит моральное устаревание существующих типов самолетов, а также появляются новые прочные облегченные материалы, новые технические решения и возможности, реализация которых обещает повышение технико-экономических показателей производства самолетов и их эксплуатации, а также улучшение транспортной системы страны в целом.
2. Решение народно-хозяйственных и военных задач, ставит перед авиационной техникой условия безусловного выполнения ее главных функций в современных условиях - это экономичность, максимальная функциональность (надежность, качество, эффективность, ремонтопригодность и долговечность), с возможностью взаимозаменяемости агрегатов, модернизации и доработки как в заводских условиях, так и на базах эксплуатации (то есть на боевом посту). Современные типы самолетов должны удовлетворять новым требованиям, например, перевозимых грузов, способность посадки на грунтовые аэродромы; для военных самолетов - возможность кратчайшего разбега по взлетно-посадочной полосе, либо вертикального взлета. Например, самолеты транс-портной авиации типа «Руслан» удовлетворяют современным требованиям по перевозке крупногабаритных грузов, но имеют очень малую вероятность посадки на грунтовые взлетно-посадочные полосы и т.д.
Известно, что ключевым элементом процесса создания самолета является его проект, то есть разработка проекта в ручном или автоматизированном режиме. Разработать проект современного самолета — это значит разработать полный комплект проектно-конструкторской и технологической документации как на бумажных, так и на машинных носителях, позволяющий осуществить создание самолета в «металле» и обеспечить возможность его эксплуатации. Классически, техническая документация - это лишь конечный результат сложного и длительного процесса проектно-конструкторской деятельности, направленной на разработку проекта ранее не существовавшего объекта (самолета), системы и процесса. Поэтому всегда процесс проектирования любого объекта — это эволюционный цикл обновления [82].
17
Понятно, что современные проекты самолетов и другой сложной техники машиностроения создать без использования систем автоматизации невозможно, поэтому степень автоматизации процессов проектирования во многом определяется не столько возможностями современных САПР, сколько возможностью формализации той или иной проектной задачи. Другими словами, большое значение имеет умение проектировщика дать достаточно строгую постановку задачи проектирования и четкий завершенный алгоритм ее решения с использованием максимальных сведений о типовой конструкторской задаче, то есть использовании сведений о проектируемом изделии (самолете). В связи с этим ставится вопрос: в какой степени отдельные составляющие процесса проектирования самолета могут быть формализованы? Схему алгоритма процесса проектирования сложного объекта (самолета) можно обобщенно изобразить укрупненными блоками (рис Л Л).
После определения цели проектирования, проектировщик, опираясь на информацию, а также на свои творческие способности, формирует главную идею, то есть концепцию создания будущего самолета, намечая возможные варианты (альтернативы) решения проектной задачи с использованием системы автоматизированного проектирования, адаптированной для решения конкретной проектной задачи.
После выбора варианта в современных условиях с использованием критериев функциональности и стоимости, строятся априорные математические и электронные (физические) модели, производится их функциональное описание, анализируются избыточные, недостающие и критические функции будущего самолета; определяются проблемы, требующие дополнительных научных исследований. Следующим крупным этапом является процесс исследования априорной модели, с проведением необходимых прочностных, технико-экономических и других расчетов. Завершающим результатом процесса проектирования (этапом проектирования) является анализ результатов исследований и выдача рекомендаций проектной организации для определения оптимального проектного реше- |
