Создание автоматизированных систем управления машиностроительными производствами на основе теории конструктивно-технологической сложности

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 658.011.56

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Создание автоматизированных систем управления машиностроительными производствами на основе теории конструктивно-технологической сложности

05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (машиностроение)»

Коршунов Александр Иванович

Ижевск, 2008

Работа выполнена в Ижевском государственном техническом университете.

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Б.А. Якимович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ефимов Игорь Николаевич, ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»

доктор технических наук, профессор Кутергин Владимир Алексеевич, ОАО «Ижевский машиностроительный завод»

доктор технических наук, профессор Ротков Сергей Игоревич, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

Ведущая организация ФГУП «Воткинский завод»

Защита состоится « 25 » сентября 2008_ г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.065.06 в Ижевском государственном техническом университете по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ.

Автореферат разослан «____» ____________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук,

доцент Сяктерев В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации приведены теоретические положения, обеспечивающие формирование и оценку конструктивно-технологической сложности машиностроительного изделия как неотъемлемой его характеристики, базирующейся на анализе конструкторско-технологических признаков как собственно изделия, так и его структуры, составляющих его сборочных единиц, деталей и применяемых технологических переделов. В работе предложен комплексный метод определения конструктивно-технологической сложности, трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия. Разработана концепция автоматизированной системы оценки конструктивно-технологической сложности, трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия как подсистемы автоматизированной системы управления производством на машиностроительном предприятии. На ее основе создана автоматизированная система технического нормирования и оценки затрат на изготовление машиностроительного изделия, обеспечивающая интеллектуальную поддержку процессов управления предприятием.

Актуальность исследования. Повышение эффективности функционирования и развития производственных систем машиностроения является в настоящее время одной из основных проблем, стоящих перед предприятиями машиностроительного комплекса России. Обоснованное формирование рациональной номенклатуры выпускаемых изделий, совершенствование технико-экономической и конструкторско-технологической подготовки производства, обеспечение качества продукции, соответствующего международным стандартам - вот далеко не полный перечень задач, которые в настоящий момент требуют своего решения.

Разработка автоматизированных систем управления производством для предприятий машиностроительной отрасли, обеспечивающих эффективное решение задач интеллектуальной поддержки процессов управления и информационной поддержки жизненного цикла продукции, требует внедрения и использования показателя, позволяющего однозначно описывать производственную номенклатуру на основании характерных свойств ее представителей. В качестве такого показателя предлагается использовать конструктивно-технологическую сложность машиностроительного изделия.

Таким образом, актуальной научной проблемой является разработка теоретических положений, обеспечивающих формирование и оценку конструктивно-технологической сложности машиностроительного изделия с целью создания комплекса технических решений, предназначенных для интеллектуальной поддержки процессов управления предприятием, и направленных на повышения эффективности функционирования производственных систем машиностроения.

Использование показателя конструктивно-технологической сложности позволяет решать целый ряд производственных задач, возникающих на основных этапах жизненного цикла машиностроительного изделия, в частности, на этапах технической и организационно-экономической подготовки его производства. Конструктивно-технологическая сложность, с одной стороны, представляет собой неотъемлемое свойство изделия, будучи определяема на основе его конструкторско-технологических признаков, с другой стороны, позволяет оценивать трудоемкость и затраты на изготовление в организационно-технических условиях конкретной производственной системы. Разработанный комплексный метод определения конструктивно-технологической сложности, трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия включает несколько уровней точности оценки, характеризующихся различным уровнем детализации сведений об изделии.

Цель работы: Повышение эффективности функционирования производственных систем машиностроения на основе формирования положений теории конструктивно-технологической сложности изделий машиностроения, разработки комплексного метода оценки трудоемкости и затрат производственных ресурсов на изготовление изделия в соответствии с организационно-техническим уровнем производственной системы и создания автоматизированной системы технического нормирования и оценки затрат на изготовление изделия как основы интеллектуальной поддержки процессов управления на машиностроительном предприятии.

Для достижения поставленной цели в работе рассматриваются и развиваются следующие направления научных исследований:

1. Анализ современного состояния предприятий машиностроительной отрасли и способов повышения эффективности их функционирования с использованием методов оценки трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия.

2. Изучение методов и моделей, используемых для оценки сложности естественных и искусственных систем в различных предметных областях знания.

3. Формирование основных положений теории конструктивно-технологической сложности, разработка моделей оценки сложности машиностроительного изделия с учетом используемых технологических переделов.

4. Разработка комплексного метода оценки трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия на основе положений теории конструктивно-технологической сложности машиностроительного изделия в соответствии с организационно-техническим уровнем производственной системы.

5. Создание информационной модели, учитывающей иерархическую структуру машиностроительного изделия, которая обеспечивает его представление в соответствии с положениями теории конструктивно-технологической сложности.

6. Разработка концепции автоматизированной системы, обеспечивающей прогнозирование и оценку трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия на основе созданного комплексного метода с использованием конструктивно-технологической сложности.

7. Создание автоматизированной системы технического нормирования и оценки затрат на изготовление машиностроительного изделия, обеспечивающей комплексное оценивание трудоемкости и затрат на изготовление изделия на основных этапах его жизненного цикла.

8. Апробация и внедрение результатов исследований в виде разработанного комплексного метода оценки трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия на основе положений теории конструктивно-технологической сложности и созданной на его основе автоматизированной системы на предприятиях машиностроительной отрасли России.

Методы исследования. В работе использованы положения технологии машиностроения, методы теории систем, теории сложности, методы комплексного исследования, включающего в себя теоретический анализ и экспериментальную проверку полученных результатов в производственных условиях. Применяется аппарат математической статистики, теории множеств, теории графов.

На защиту выносятся следующие положения:

- Структурно-иерархическая модель машиностроительного изделия, обеспечивающая решение задачи его формального представления в соответствии со структурой и составом при решении задач оценки сложности, трудоемкости и затрат на изготовление на различных этапах жизненного цикла.

- Общая аддитивно-мультипликативная модель оценки показателя конструктивно-технологической сложности машиностроительного изделия, учитывающая применяемые технологические переделы, структуру изделия и конструкторско-технологические признаки.

- Механизм формирования показателя конструктивно-технологической сложности технологического передела, основанный на теоретико-множественном подходе и предусматривающий формирование классификатора порождающих и порожденных элементов.

- Модели оценки конструктивно-технологической сложности технологических переделов «Механическая обработка» и «Слесарно-сборочные работы».

- Комплексный метод определения конструктивно-технологической сложности, трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия с учетом организационно-технического уровня производственной системы и степени декомпозиции структуры изделия.

- Объектная информационная модель машиностроительного изделия в виде иерархии классов, обеспечивающих его представление при решении задач оценки конструктивно-технологической сложности, трудоемкости и затрат на его изготовление.

- Концепция автоматизированной системы, обеспечивающей решение задач оценки трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия.

- Автоматизированная система технического нормирования и оценки затрат на изготовление машиностроительного изделия, реализующая предложенный комплексный метод оценки конструктивно-технологической сложности, трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия.

- Методика оценки эффективности применяемых конструкторско-технологических решений на основе использования показателя конструктивно-технологической сложности.

Научная новизна.

Разработаны теоретические положения формирования и оценки конструктивно-технологической сложности машиностроительного изделия, позволяющие учесть интегральный характер количественной оценки структурных и субстантных свойств изделия и входящих в него деталесборочных единиц, а также позволяющие повысить степень адекватности оценки в теории конструктивно-технологической сложности сложившемуся в общественном производстве уровню развития производительных сил.

В ходе исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Разработан комплексный метод определения конструктивно-технологической сложности, трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия с учетом организационно-технического уровня производственной системы и требований к уровню точности оценки. Разработаны и реализованы три уровня оценивания: прогнозирование с применением аппарата искусственных нейронных сетей; оценивание на основе расчета конструктивно-технологической сложности; укрупненное нормирование маршрутных и маршрутно-операционных технологических процессов изготовления, разработанных на основе нормативных технологических операций.

2. Создана аддитивно-мультипликативная модель оценки конструктивно-технологической сложности машиностроительного изделия. Разработан механизм формирования показателя конструктивно-технологической сложности технологического передела, основанный на теоретико-множественном подходе, предусматривающий создание классификатора порождающих и порожденных элементов, которые выделяются при анализе образа изготавливаемого изделия и его структурных составляющих.

3. Предложена классификация порождающих конструктивно-технологических элементов и элементарных работ, определены и исследованы порождающие и порожденные элементы классов применительно к технологическим переделам «Механическая обработка» и «Слесарно-сборочные работы». Для каждого из технологических переделов определена иерархическая структура показателя конструктивно-технологической сложности элемента.

4. Разработана объектная информационная модель машиностроительного изделия, обеспечивающая его однозначное формальное представление при решении задач определения конструктивно-технологической сложности, трудоемкости и затрат на его изготовление. Использование модели позволяет создавать автоматизированные системы и программные модули, ориентированные на техническое нормирование, оценку конструктивно-технологической сложности и прогнозирование трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительных изделий.

Практическая ценность работы. Комплексный метод оценки трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия обеспечивает решение соответствующих задач с учетом организационно-технического уровня производственной системы и требований к уровню точности оценки. Это позволяет применять его при решении ряда производственных задач, возникающих на различных этапах и стадиях жизненного цикла изделия, в том числе: оценки трудоемкости изготовления изделий; оценки эффективности функционирования производственных систем; формирования рациональной производственной номенклатуры, соответствующей организационно-техническому уровню конкретной производственной системы; оценки эффективности и рациональности используемых конструкторско-технологических решений.

Созданная информационная модель машиностроительного изделия, предложенная концепция автоматизированной системы, обеспечивающей решение задач оценки трудоемкости и затрат на изготовление изделия на основе использования предложенного комплексного метода, и разработанные расчетные алгоритмы позволили разработать и создать автоматизированную систему технического нормирования и оценки затрат на изготовление машиностроительного изделия. Автоматизированная система обеспечивает интеграцию в состав автоматизированных систем управления машиностроительным производством в качестве подсистемы, решающей задачи интеллектуальной поддержки процессов управления и информационной поддержки жизненного цикла выпускаемой продукции.

Результаты работы прошли апробацию в производственных условиях и внедрены в производство на ряде машиностроительных предприятий России, показав высокую эффективность при решении задач, возникающих на различных этапах жизненного цикла машиностроительного изделия.

Новизна и практическая ценность предложенных решений подтверждена актами о практическом внедрении результатов диссертационной работы при решении производственных задач на ряде машиностроительных предприятий России. Основные положения диссертации используются в курсах «Основы САПР», «Организация и планирование машиностроительного производства».

Апробация работы. Содержание и основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция «Модель-проект 95», Казань, 1995.

2. Всероссийская научно-методическая конференция «Новые информационные технологии в образовательном процессе», Ижевск, 1997.

3. Всероссийская научная конференция «CAD/CAM/CAE системы в инновационных проектах», Ижевск, 1998.

4. 6 Международная научная конференция CO-MAT-TECH'98, Трнава, Словения, 1998.

5. III Международная научно-техническая конференция «Информационные технологии в инновационных проектах», Ижевск, 2001.

6. Международная научно-техническая конференция «Моделирование технических систем. Инновационные технологии в машиностроении и приборостроении», Ижевск, 2002.

7. IV Международная научно-техническая конференция «Информационные технологии в инновационных проектах», Ижевск, 2003.

8. Международная конференция «Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий», Санкт-Петербург, 2003.

9. Международная конференция-форум «Применение ИПИ(CALS)-технологий для повышения качества и конкурентоспособности наукоемкой продукции», Москва, 2003.

10. 11 Международная научная конференция CO-MAT-TECH 2003, Трнава, Словения, 2003.

11. 5-я международная конференция «Авиация и космонавтика-2006», Москва, 2006.

Публикации. Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы в 66 печатных работах, из них 2 монографии, 26 статей (из них 19 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 6 публикаций в зарубежных изданиях, а также свидетельство № 2005610127 об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованных источников (230 источников) и 6 приложений. Диссертация содержит 312 страниц, 36 таблиц, 66 иллюстраций и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель и сформулированы задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава посвящена анализу современного состояния машиностроительного комплекса России, рассмотрены основные проблемы и перспективы его развития.

Несмотря на определенные успехи, которые наблюдаются в развитии машиностроительного комплекса России, существует целый ряд проблем, негативно влияющих на состояние и развитие машиностроительного комплекса в целом, и основные его отрасли в частности.

Одной из основных проблем в настоящее время является повышение эффективности функционирования и развития предприятий отрасли. Обоснованное формирование рациональной номенклатуры выпускаемой продукции, совершенствование технико-экономической и конструкторско-технологической подготовки производства, обеспечение качества продукции, соответствующего международным стандартам - вот далеко не полный перечень задач, которые не решены предприятиями отрасли до настоящего момента. машиностроительный конструктивный трудоемкость

Решения поставленных выше задач невозможно добиться без комплексного обеспечения интеллектуальной поддержки процессов управления и информационной поддержки жизненного цикла машиностроительного изделия (ИПИ-технологии). Комплексное информационное обеспечение задач управления производством представляет в настоящее время определенный интерес для предприятий машиностроительного комплекса России. Частичная автоматизация основных этапов производственного цикла, проведенная предприятиями, не позволила в полной мере реализовать преимущества применения информационных технологий, в том числе, и концепции информационной поддержки жизненного цикла изделия.

Основные направления применения информационных технологий в машиностроении были разработаны и в дальнейшем развиты такими учеными как В.М. Глушков, Г.К. Горанский, Н.М. Капустин, В.Г. Логашев, Ю.М. Соломенцев, В.Е. Судов, В.Д. Цветков и др.

Одним из путей повышения эффективности функционирования машиностроительных предприятий является формирование производственной номенклатуры, соответствующей организационно-техническому уровню конкретного предприятия, что требует решения задачи оценки трудоемкости и затрат на изготовление изделия на ранних стадиях его жизненного цикла, в том числе на этапе принятия решения о постановке его в производство. Известно, что в структуре производственных затрат машиностроительного предприятия основными статьями, определяющими себестоимость изготовления машиностроительного изделия, являются стоимость материалов и трудовые затраты.

Таким образом, в настоящее время значительно возрастает роль структурных подразделений предприятий, решающих задачи оценки трудоемкости и затрат на изготовление изделий на всех этапах и стадиях производственного процесса, организации и нормирования трудовых процессов. Важный вклад в развитие методов организации и нормирования труда внесли такие ученые, как В.С. Вольский, А.Д. Гальперин, Б.М. Генкин, М.И. Ипатов, Н.А. Кольцов, С.П. Митрофанов, Ю.С. Перевощиков, Г.А. Пруденский, И.М. Разумов, С.М. Семенов, Е.Л. Смирнов, Ю.С. Шарин, Б.А. Якимович и др.

Раскрываются сущность и основные принципы информационной поддержки жизненного цикла изделия, обеспечивающей управление производственной номенклатурой предприятия на основных этапах жизненного цикла ее представителей. Рассматриваются существующие автоматизированные системы управления машиностроительным предприятием и информационной поддержки жизненного цикла изделия, анализируются решаемые ими задачи. Проводится анализ существующих автоматизированных систем и модулей информационных систем, решающих задачи технического нормирования и оценки затрат на изготовление изделия с точки зрения возможности прогнозирования трудоемкости и затрат на его изготовление на ранних стадиях жизненного цикла. Формулируются цель и задачи исследования.

Вторая глава содержит анализ понятия сложности как неотъемлемого свойства систем и объектов как природного, так и техногенного характера. Рассматривается сущность понятия сложной системы и методы анализа таких систем применительно к различным предметным областям знаний. Анализируются присущие конкретным предметным областям представления о сложности и методах ее оценки. Значительный вклад в изучение и анализ сложных систем внесли такие ученые как Н.П. Бусленко, Дж. Касти, Дж. Клир, А.Н. Колмогоров, Г.Н. Поваров, И. Пригожин, Т. Саати, Г. Саймон, Д. Сэвидж, Г. Хакен и др.

В соответствии с представлением общей теории систем, сложные системы обладают рядом качеств, определяющих их сложность: непредсказуемостью поведения, ближним характером связей между элементами, нелинейным характером и разнообразием видов отношений между элементами системы, открытостью, иерархическим характером структуры системы.

В общем случае могут рассматриваться два уровня сложности системы: сложность на структурном уровне (статическая сложность), которая определяется количеством элементов системы и связями между ними, а также сложность на функциональном уровне (динамическая сложность), определяемая реакцией системы на внешние возмущения и динамикой существования и развития системы.

Сложность структуры оценивается посредством топологической энтропии, т.е. сложностью конфигурации структуры системы , где (эрг/град) - постоянная Больцмана; - число состояний системы; - вероятность -го состояния системы.

Динамическая сложность системы определяется степенью трудности объяснения и предсказания траекторий движущейся системы. Применительно к задаче обработки информации сложность системы определяется информационной энтропией, оцениваемой подобно энтропии Больцмана, применяемой в условиях стохастической неопределённости, либо алгоритмической энтропией Колмогорова, определяющей степень сложности количеством информации, необходимой для описания реальной системы, применяемой в условиях детерминированной определенности.

Оценка вычислительной сложности алгоритмов производится с использованием двух основных мер - комбинационной сложности как минимального числа элементов выбранного базиса, необходимого для реализации определенной функции соответствующей логической схемой, а также сложности программ, которая рассматривается относительно некоторой машины Тьюринга и определяется длиной самой короткой программы, необходимой для вычисления на этой машине определенной функции.

При оценке сложности технических систем учитывается сложность составляющих ее элементов , где - количество типов элементов; - сложность элемента - го типа; - число элементов - го типа, входящих в систему. В ряде случаев может учитываться также сложность связей между элементами системы , где , - общее число элементов в системе; - фактически реализованное в системе число связей; - максимальное число связей в системе; - сложность элемента - го типа; - количество элементов - го типа; - коэффициент, учитывающий относительную сложность связей по сравнению со средней сложностью элементов. Таким образом, понятие сложности применительно к исследованию природных и техногенных систем используется достаточно активно, однако в определенных областях знания используемые методы оценки сложности носят в большей степени качественный, чем количественный характер.

Третья глава посвящена рассмотрению машиностроительного изделия как сложной технической системы, обладающей всеми присущими последней свойствами: представляющей собой совокупность взаимосвязанных между собой элементов, способной выполнять сложную функцию и характеризующейся определенным поведением в процессе функционирования.

На основании проведенного анализа структуры и состава машиностроительного изделия создана структурно-иерархическая модель последнего, которая может быть использована для оценки его сложности с учетом входящих в состав элементов и объединяющих их связей.

В общем случае машиностроительное изделие, как было отмечено выше, представляет собой деталь или сборочную единицу , состоящую из отдельных деталей и входящих в нее сборочных единиц, объединенных в процессе сборки и монтажа с установлением соответствующих связей .

Определим, что машиностроительное изделие состоит из деталей, составляющих исходное множество , и сборочных единиц, также представленных множеством . Рассматривается классов деталей, составляющих некоторое множество . Каждая деталь может быть отнесена только к одному из рассматриваемых классов .

Существует множество параметров, позволяющих охарактеризовать машиностроительное изделие , каждый параметр характеризуется некоторым множеством значений , мощность которого специфична для конкретного параметра.

Определение 1: Машиностроительная деталь представляет собой первичный элемент, составляющий структуру машиностроительного изделия, как комплекс взаимосвязанных поверхностей, предназначенных для выполнения определенных функций, изготавливаемый из однородного материала без использования сборочных операций и характеризующийся определенной сложностью. Деталь, относящаяся к классу , представляется кортежем , где , соответственно .

Параметры могут быть классифицированы как конструктивные или технологические .

Определение 2: Сборочная единица представляет собой совокупность непосредственно входящих в нее сборочных единиц и деталей, агрегирующую их сложность , где - множество параметров сборочной единицы, ; - множество сборочных единиц, входящих в , где ; - множество деталей, входящих в сборочную единицу , ; - множество связей, существующих между деталями и сборочными единицами, входящими в состав данной сборочной единицы.

Определение 3: Машиностроительное изделие представляет собою сборочную единицу , состоящую, как минимум, из одной детали.

Определение 4: Структурная связь между сборочной единицей и деталью , представляет собой отношение .

Необходимо учитывать, что рассматривается классов отношений, составляющих некоторое множество . Каждое отношение может быть отнесено только к одному из рассматриваемых классов отношений , таким образом, для изделия определяется множество отношений , где - количество сборочных единиц, в него входящих.

Предложенная структурно-иерархическая модель определяет формальное представление машиностроительного изделия при решении задач, связанных с оценкой сложности и затрат на изготовление, возникающих на различных этапах его жизненного цикла, обеспечивая степень детализации информации о структуре изделия и параметрах элементов его структуры в соответствии с условиями решаемой задачи.

Сложность описания машиностроительного изделия с использованием предложенной структурно-иерархической модели также оказывается достаточно большой. Наиболее наглядным методом оценки сложности задачи является проверка ее на соответствие пределу Бремерманна (H. Bremermann) при описании некоторого абстрактного машиностроительного изделия.

Машиностроительная деталь, принадлежащая классу , будет характеризоваться множеством параметров , пусть каждый параметр может принимать любое из значений , принадлежащих множеству . Если количество состояний каждого из параметров отлично от других, то количество состояний, которые может принять деталь, определяется как . Для сборочной единицы количество состояний определяется как , где - количество состояний, в которых может находиться -я сборочная единица; - количество состояний, в которых может находиться -я деталь; - количество состояний, в которых может находиться -я связь.

Изделие также представляет собой сборочную единицу. Для определенности примем, что число состояний для всех параметров одинаково и равно , в таком случае количество состояний, в которых может находиться деталь, равно . Пусть все сборочных единиц входят непосредственно в изделие, и каждая из них состоит из деталей. Кроме того, принимаем, что каждая из связей может принимать единственное значение, определяющее наличие связи как таковой, т.е. , а также пусть количество параметров сборочной единицы равно , и каждый из параметров может принимать значений. В таком случае для изделия есть количество состояний. Принимая , получаем:

.



Таким образом, с учетом принятых допущений, абстрактное машиностроительное изделие имеет K состояний. Множество состояний конкретной системы является подмножеством этого множества, таких подмножеств может существовать в общем случае . При использовании максимально эффективного метода отбора и выделения системы, при котором каждый бит информации позволяет разбить анализируемое множество вариантов на две равные части, потребуется обработать бит информации. Задача становится трансвычислительной, если выполняется следующее условие:

.

Численное моделирование поведения неравенства в соответствии с изменением управляемых параметров позволило определить область, в которой неравенство не выполняется, и при введенных допущениях задача формально не является трансвычислительной. В данном случае, условие формальной вычислимости задачи в смысле ограничения пределом Бремерманна является достаточно строгим, хотя получено при слабых ограничениях.

В практическом смысле задача будет трансвычислительной в некоторых случаях даже внутри определенных в результате моделирования интервалов. Здесь каждому определенному состоянию абстрактного машиностроительного изделия как некоторой системы может соответствовать конкретное машиностроительное изделие, характеризующееся определенной структурой, составляющими его элементами, их свойствами и взаимосвязями.

Структурная сложность машиностроительного изделия, как сложной иерархической структуры, представляется функционалом сложности структуры изделия , заданным на множестве возможных иерархических структур машиностроительного изделия . Определено, что структурная сложность машиностроительного изделия, структура которого представлена в виде ориентированного ациклического графа , представляется в виде аддитивного локального функционала , учитывающего сложности связей между элементами, составляющими структуру изделия.

Рассматривая масштабность задачи формирования модели машиностроительного изделия, а в дальнейшем оценки затрат ресурсов на реализацию различных этапов его жизненного цикла, необходимо сделать вывод о целесообразности снижения сложности описываемых задач и определения необходимого уровня декомпозиции изделия при условии обеспечения необходимой степени точности получаемых результатов.

Четвертая глава содержит основные определения и понятия, связанные с конструктивно-технологической сложностью машиностроительного изделия, описывается сущность этого показателя и общая модель оценки сложности.

Определение 5: Конструктивно-технологическая сложность (КТС) машиностроительного изделия представляет собой неотъемлемое его свойство, учитывающее геометрические, структурные и субстантные свойства изделия и его структурных составляющих, а также предъявляемые к ним конструкторские и технологические требования в соответствии с существующим уровнем развития производительных сил.

КТС может рассматриваться как мера затрат ресурсов на реализацию различных этапов жизненного цикла машиностроительного изделия и представляет собой комплексный показатель, обобщающий ряд показателей сложной технической системы - машиностроительного изделия.

В общем случае КТС машиностроительного изделия представляет собой функцию , где - множество сборочных единиц изделия; - множество деталей изделия; - множество отношений между структурными составляющими изделия; - множество параметров изделия.

Определим множество технологических переделов, охватывающее все технологические переделы, применяемые в машиностроении . КТС ДСЕ (деталесборочной единицы) определяется как функция, аддитивная относительно КТС непосредственно входящих в неё ДСЕ и применяемых к ней технологических переделов:

,

где - количество ДСЕ, непосредственно входящих в данную ДСЕ; - КТС i-ой ДСЕ нижнего уровня; - количество технологических переделов, применяемых к ДСЕ; - КТС, соответствующая j-му технологическому переделу, применяемому к конкретной ДСЕ.

Функция ( 3 ) является рекурсивной и применяется в соответствии с иерархической структурой машиностроительного изделия, причем изделие является ДСЕ самого верхнего уровня, т.е. корнем дерева структуры. Очевидно, что расчет КТС, соответствующей конкретному технологическому переделу, должен производиться с использованием математической модели, разрабатываемой индивидуально для каждого передела, при этом используется декомпозиция сущности на отдельные сущности более низкого порядка, которые называются элементами.

Для каждого передела определяется множество допустимых элементов , где . Каждый элемент также относится к однозначно определенному классу элементов , составляющих некоторое множество .

Для каждого класса элементов определяется некоторое множество элементов, обеспечивающих порождение допустимых элементов данного класса , где . Таким образом, элементы, относящиеся к множеству , называются порождающими элементами класса . Элементы , относящиеся к множеству , называются, соответственно, порожденными элементами. Для каждого из них определено множество порождающих элементов , , таким образом, что , где - множество преобразований, разрешенных для данного технологического передела.

Каждый элемент характеризуется некоторой совокупностью параметров , , каждый из них характеризуется некоторым множеством значений , мощность которого специфична для конкретного параметра. При анализе технологического передела, применяемого к конкретной ДСЕ, выделяются элементы, соответствующие порожденным элементам , относящимся к данному технологическому переделу.

КТС технологического передела определяется в виде аддитивной функции, учитывающей сложности выделенных для конкретной ДСЕ элементов, относящихся к данному переделу:

,

где - КТС технологического передела, применяемого к ДСЕ; - число классов элементов передела; - количество порожденных элементов в -м классе; - количество однотипных элементов, соответствующих -му порожденному элементу; - сложность -го элемента, соответствующего -му порожденному элементу.

КТС элемента класса определяется в виде функциональной зависимости вида , где: - множество порождающих элементов, определяющих данный элемент; - множество параметров элемента ; - множество параметров ДСЕ, к которой относится элемент; - множество параметров изделия. При этом КТС элемента может определяться для некоторых переделов как сложность связи между двумя элементами или ДСЕ. Функция сложности для элемента, относящегося к некоторому технологическому переделу, рассматривается как мультипликативная функция:

,

где: - нормирующий коэффициент для соответствующего элемента класса; - m-й показатель; - общее количество показателей, определенных для данного технологического передела.

В ходе исследований было предложено показатели представлять в виде относительных коэффициентов, учитывающих соответствующие конструкторско-технологические признаки исследуемого объекта, таким образом, что .

Применительно к технологическому переделу «Механическая обработка», в основу модели положена декомпозиция детали на элементарные поверхности, получившие название конструктивно-технологических элементов.

Определение 6: Конструктивно-технологический элемент (КТЭ) представляет собой поверхность, которая характеризуется, с одной стороны, определенной геометрической формой, т.е. способом формирования, с другой стороны, конструкторско-технологическими параметрами, однозначно определяющими данный элемент.

Анализ номенклатуры деталей, изготавливаемых на машиностроительных предприятиях, выявил значительное многообразие КТЭ и способов их получения. В соответствии с предложенной моделью КТС, определено множество классов КТЭ , где , таким образом, что «Плоскости», «Контуры», «Уступы», «Пазы», «Отверстия», «Фасонные поверхности». В качестве порождающих КТЭ определены простейшие элементы, которые могут быть получены преимущественно кинематическим методом: перемещением образующего профиля вдоль направляющей.

Порождаемые КТЭ формируются путем модификации геометрических, технологических и конструктивных характеристик, в частности, за счет изменения формы образующего профиля, либо комбинации нескольких базовых элементов. Они оставляют множество элементов , используемых при формировании информационной модели детали.

Таким образом, для описания совокупности всех возможных КТЭ в каждом классе определено множество порождающих элементов, где {Плоскость открытая}, {Контур линейный}, {Уступ прямой открытый}, {Паз прямоугольный открытый}, {Открытое цилиндрическое отверстие}, {Плоская фасонная поверхность, Наклонная фасонная поверхность}.

Порождающий элемент «Плоскость открытая» определен как базовый элемент модели. Каждому порождающему КТЭ приводится в соответствие нормативный технологический метод его изготовления, соответствующий существующему уровню развития производительных сил. Порождающему элементу «Плоскость открытая» (класс «Плоскости») в качестве нормативного метода изготовления приводится в соответствие фрезерование концевой фрезой по технологической схеме обработки «по спирали».

Для каждого из элементов сформировано множество порождающих элементов , . Для элемента с параметрами выделяются множества конструктивных и технологических параметров, где .

Важное значение имеет нормативное время обработки порождающего КТЭ. Для класса «Плоскости» в качестве порождающего определен КТЭ «Плоскость открытая», т.е. , где = Плоскость открытая. В результате анализа представителей номенклатуры машиностроительных деталей для КТЭ «Плоскость открытая» определено множество параметров элемента и их стандартных значений, в соответствии с которыми нормативное время обработки составляет 5,48 мин.

В соответствии с формулой ( 5 ) определено конечное множество показателей, учитывающих, соответственно: -размеры элемента ; - тип заготовки ; - материал элемента ; -требования к точности ; - структурно-параметрический показатель сложности .

Структурно-параметрический показатель сложности представляет собой мультипликативную функцию вида , где - коэффициент формы элемента; - коэффициент формы детали; - коэффициент расположения элемента; - коэффициент жесткости элемента.

Таким образом, формула ( 4 ) для технологического передела «Механическая обработка», принимает вид:

где - КТС передела «Механическая обработка»; - число классов элементов передела; - нормирующий коэффициент -го порожденного элемента; - количество порожденных элементов в -м классе; - количество однотипных элементов, соответствующих -му порожденному КТЭ. Коэффициент нормирует полученные значения сложности элементов, обеспечивая их однородность . В том случае, когда мощность множества равна одному элементу, т.е. данному элементу соответствует один порождающий элемент, формула принимает вид: , где - трудоемкость обработки соответствующего порождающего элемента ; - трудоемкость обработки базового элемента модели, элемента «Плоскость открытая», т.е. принимается = 5,48 мин.

Технологический передел «Слесарно-сборочные работы» также является одним из наиболее трудоемких. В соответствии с общей моделью КТС машиностроительного изделия, для передела «Слесарно-сборочные работы» в качестве первичного элемента декомпозиции используется элементарная работа.

Определение 7: Элементарной работой будем называть последовательность действий, обеспечивающих выполнение определенной ограниченной совокупности работ по слесарной обработке и сборке ДСЕ.

Определено множество классов элементарных работ , где , таким образом, что «Подготовительные работы», «Сборка узлов с подшипниками и втулками», «Сборка зубчатых передач», «Сборка соединений со шпонками», «Сборка резьбовых соединений», «Сборка неразъемных соединений».

Сформировано множество порождающих элементарных работ, таким образом, что {Мойка плоскости, Опиливание контура, Полирование плоскости, Притирка плоскости}, {Сборка втулки с валом, Сборка вала с цилиндрическим подшипником}, {Сборка вала с цилиндрическим зубчатым колесом}, {Сборка соединения с призматической шпонкой}, {Сборка винтового соединения, Сборка болтового соединения}, {Сборка заклепочного соединения}. Каждой порождающей элементарной работе соответствует нормативная совокупность действий, обеспечивающая технологический метод ее выполнения, соответствующий существующему уровню развития производительных сил.

Порожденные элементарные работы формируются путем модификации последовательности действий, соответствующих порождающей элементарной работе, либо комбинации нескольких порождающих элементарных работ. Они составляют исходное множество элементов , непосредственно используемых при формировании информационной модели передела для конкретной ДСЕ. Для каждого из элементов сформировано множество порождающих элементарных работ , где . Сложность передела «Слесарно-сборочные работы» определяется с использованием аддитивной функции вида:

,

где - КТС технологического передела «Слесарно-сборочные работы»; - число классов элементарных работ; - количество порожденных элементарных работ в -м классе; - количество однотипных элементарных работ, соответствующих -ой порожденной элементарной работе; - сложность -ой элементарной работы.

В соответствии с формулой ( 5 ) определено конечное множество показателей, учитывающих соответственно: - размерные характеристики элементарной работы ; - весовые характеристики элементарной работы ; - структурно-параметрический показатель сложности элементарной работы .

Структурно-параметрический показатель сложности также представляет собой мультипликативную функцию вида , где - показатель, учитывающий удобство выполнения работы; - показатель, учитывающий дополнительные условия выполнения работы.

Для численного оценивания показателей, учитывающих размерные, весовые характеристики КТЭ и элементарных работ, использовались методы корреляционно-регрессионного анализа, позволившие выявить значимые факторы и построить уравнения регрессии для оценки численных значений рассматриваемых показателей. Значения показателей, входящих в структурно-параметрический показатель сложности, оценивались с привлечением процедур экспертного оценивания.

Пятая глава посвящена разработке объектной информационной модели машиностроительного изделия, обеспечивающей адекватное и эффективное описание машиностроительного изделия и его структурных составляющих в соответствии с основными положениями теории КТС. Рассмотрено формирование модели процесса определения КТС и прогнозирования трудоемкости изготовления деталей корпусного типа. Разработанные модели использованы при создании автоматизированных систем управления машиностроительными производствами.

Начальным уровнем описания информационной модели объекта проектирования служит диаграмма абстрактных классов «Изделие» (Рисунок 1, а). Ниже приведено уточнение класса «Деталь» (Рисунок 1, б) и, соответственно, класса «Сборочная единица» (Рисунок 1, в). Диаграммы приведены в нотации языка объектно-ориентированного моделирования UML.

Приведенная схема абстрактных классов обеспечивает однозначное описание любого машиностроительного изделия, независимо от его сложности. Дальнейшее развитие иерархии классов позволило уточнить их исходные абстракции с указанием атрибутов и операций каждого класса, учитывая синтаксис языка, с помощью которого производится их программная реализация, на примере классов, описывающих машиностроительную деталь (Рисунок 2).

Разработана модель процесса определения КТС и прогнозируемой трудоемкости применительно к деталям корпусного типа. Целесообразным признано сочетание индивидуальных решений, принимаемых оператором системы (ЛПР) и типовых решений, принимаемых системой автоматически. Необходимость использования предлагаемого подхода определяется присутствием факторов, плохо поддающихся формализации и обуславливающих высокую степень эвристичности принимаемых решений при оценке КТС и прогнозируемой трудоемкости изготовления детали.

Рисунок 1 - Диаграмма абстрактных классов а) класс «Изделие», б) класс «Деталь» в) класс «Сборочная единица»

Рисунок 2 - Диаграмма классов, описывающих машиностроительную деталь

Процесс формирования КТС и прогнозируемой трудоемкости изготовления детали рассматривается как совокупность частных индивидуальных и типовых решений, где множество всех решений представляется в виде объединения двух непересекающихся множеств: частных индивидуальных решений и частных типовых решений .

Индивидуальное решение , принимаемое для одного из КТЭ, является элементом некоторого множества , аналогичным образом типовое решение - элементом некоторого множества .

Полное решение есть элемент множества , где , и состоит из следующих частных решений: - описание детали; - описание КТЭ; - количество КТЭ; - показатель материала детали; - показатель заготовки; - размерный показатель КТЭ; - структурно-параметрический показатель сложности; - показатель требований к качеству КТЭ; - коэффициент формы КТЭ; - коэффициент расположения КТЭ; - коэффициент жесткости детали; - коэффициент формы детали; - трудоемкости обработки порождающих КТЭ; - показатель сложности КТЭ; - трудоемкость КТЭ. При этом на множестве выделяется подмножество индивидуальных решений , определяющих конкретные КТЭ, рассматриваемые для детали. Далее производится отображение в .

Входное воздействие рассматривается как элемент множества , в качестве выходной величины принимаются элементы множества , где . Входные воздействия принимают свои значения на множестве , где есть множество индивидуальных решений для конкретной детали. Аналогично выходные величины принимают свои значения на множестве , . Совокупность текущих состояний процесса формирования КТС и прогнозируемой трудоемкости изготовления детали образует множество состояний процесса, т.е. . Связь между очередным индивидуальным и типовым решением и предшествующим состоянием процесса определяется как .

Таким образом, процесс формирования КТС и прогнозируемой трудоемкости изготовления детали имеет свойства системы и описывается следующими параметрами: . Базовым множеством математической модели процесса является множество всех полных решений . Если , то имеет место .

Полное решение принимает вид . В таком случае базовое множество искомой модели выражается формулой:

.

Любое из частных решений определено, если известны параметры: - наименование частного решения; - значение наименования ; - набор характеристик частного решения; - набор значений характеристик. Совокупность одноименных параметров частных решений образует соответствующие множества: ; ; ; , при этом и . Условие образования базового множества:

.

Определена система аксиом:

· аксиома наличия свойств частных решений:

· аксиома предпочтения частных решений:



· аксиома эквивалентности частных решений:

· аксиома многозначности свойств частных решений:

.

Анализ причинно-следственных связей частных решений, выполненный на основе принятой системы аксиом, позволяет построить матрицу причинно-следственных связей, на основе которой определен граф зависимостей принятия частных решений, который позволил записать ряд отношений.

В результате анализа определены множества: , . Окончательно набор отношений на принимает вид На основании изложенных выше рассуждений построено ситуационное описание процесса (Рисунок 3).

Подробно рассмотрены автоматизированные системы оценки КТС и прогнозирования трудоемкости изготовления деталей корпусного типа «СКАТ-М» и, соответственно, оценки трудоемкости изготовления изделий инструментального производства «Линейка», созданные на основе разработанных моделей машиностроительного изделия и процесса определения КТС. Автоматизированные системы предназначены для интеллектуальной поддержки процессов управления предприятием, они прошли апробацию в производственных условиях и внедрены в производство.



Рисунок 3 - Ситуационное описание процесса формирования КТС и прогнозируемой трудоемкости изготовления детали

Определены требования, предъявляемые к современной системе технического нормирования машиностроительного предприятия. Рассмотрены основные задачи, стоящие перед системой технического нормирования и имеющие целью повышение эффективности функционирования предприятия: прогнозирование трудоемкости изготовления изделий на этапе формирования пакета заказов предприятия; расчет трудоемкости изготовления изделия на этапе технической подготовки производства; оценка трудоемкости изготовления изделия на этапе его изготовления в соответствии с организационно-техническим уровнем производственной системы; оценка эффективности используемых конструкторско-технологических решений и проведение производственного аудита структурных подразделений предприятия.

Применяемые в настоящее время методы нормирования трудовых затрат не позволяют обеспечить эффективное решение всего спектра стоящих перед ними задач. Проведенный анализ позволил сформулировать основные требования, которым должен соответствовать комплексный метод нормирования труда: обеспечение необходимого уровня точности оценки в соответствии с условиями производственной задачи; использование общей концепции при нормировании различных технологических переделов; оценка и учет организационно-технического уровня (ОТУ) производственной системы; формирование комплекса показателей, необходимых для оценки эффективности функционирования производственной системы; обеспечение расчета трудоемкости работ и изделий на основе технологической документации, и при ее отсутствии.

Анализ предложенных требований и решаемых задач позволил сделать вывод о существовании нескольких уровней оценки КТС и прогнозирования трудоемкости изготовления изделий в соответствии с уровнем детализации сведений об объекте прогнозирования. В результате предложен комплексный метод определения КТС, трудоемкости и затрат на изготовление машиностроительного изделия, использующий несколько уровней точности оценки:

1. Уровень прогнозирования: изделие рассматривается как единое целое, с учетом его классификации, функционального назначения, габаритно-весовых характеристик, используемых при его изготовлении материалов и комплектующих.

...