Основы построения автоматизированных систем проектирования технологических процессов и сопровождения производства изделий в геофизическом приборостроении

На правах рукописи

Бурдо Георгий Борисович

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ автоматизированнЫХ СИСТЕМ проектирования технОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СОПРОВОЖДЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ

В ГЕОФИЗИЧЕСКОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Специальность 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования

(в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Тверь-2011

Работа выполнена в Тверском государственном техническом университете

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

ПАЛЮХ Борис Васильевич

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор

МИТРОФАНОВ Владимир Георгиевич

- доктор технических наук, профессор

КАМАЕВ Валерий Анатольевич

- доктор технических наук, профессор

Еремеев Александр Павлович

Ведущая организация - ОАО научно-производственное предприятие

«ГЕРС», г. Тверь

Защита диссертации состоится « » мая 2011г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.262.04 в Тверском государственном техническом университете по адресу:

170026, г. Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Н.Н. Филатова

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы определяется имеющимися противоречиями в области проектирования технологических процессов (ТПр) и управлением выпуском изделий в геофизическом приборостроении (ГФП):

- время технологической подготовки производства (ТПП) с помощью автоматизированных систем проектирования технологических процессов (T-Flex, Вертикаль, Спрут, ТехноПРО, TEXCARD и др.) становится соизмеримым со временем изготовления деталей, не осуществляется организационно-технологическое проектирование ТПр (их разработка с учетом целевой функции заказа, способа организации производства, загрузки оборудования подразделений), актуальное для единичного и мелкосерийного производства;

- большие затраты времени на разработку и корректировку постоянно обновляемых в течение года объемных и календарных планов затрудняют точное определение объемов и сроков выполнения договоров, заставляют фирмы иметь запасы узлов и приборов, которые могут быть не востребованы потребителями и увеличивают незавершенное производство;

- способы управление ТПр изготовления приборов не отвечает условию своевременной штучной поставки приборов по большому числу контрактов;

- для организации управления производством необходимо знание времен выполнения операций, однако ТПП из-за дефицита времени выполняется весьма укрупненно;

- методология построения автоматизированных систем проектирования технологических процессов (САПР ТП), автоматизированных систем управления ТПр (АСУТП) и систем управления и планирования предприятием разного уровня (ERP (Enterprise Resourse Planning)-системы, MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning), Scada (Supervisoru Control And Data Acquisition) и др.) направлена на обслуживание нужд серийного и крупносерийного производства (ГФП относится к единичному и мелкосерийному); ERP-системы к тому же ориентированы на североамериканский (отчасти западноевропейский) способ организации технологий;

- ERP и MRP-2 -системы позволяют разрабатывать в автоматизированном режиме объемные планы, разработка точных календарных и оперативных планов невозможна из-за отсутствия средств для расчета циклов изготовлений изделий, автоматизированная корректировка планов по результатам диспетчирования (Scada) не предусматривается;

- АСУТП позволяют отслеживать выполнение КПГ, но не имеют формальных процедур для их расчетов, и принятия решений на основе результатов диспетчирования;

- имеется информационный разрыв между САПР ТП, АСУТП и ERP-системами, не позволяющий оперативно принимать управленческие решения;

- развитие геофизического приборостроения России, находящегося на прорывных направлениях развития науки и техники и успешно конкурирующего с ведущими зарубежными фирмами, сдерживает отсутствие современных производственных систем (ПС).

Выявленные противоречия позволяют осуществить постановку проблемы, имеющей важное значение для отечественного геофизического приборостроения – повышение эффективности функционирования производственных систем ГФП путем сокращения сроков и совершенствования ТПП и планово-организационного сопровождения производства изделий. Решение проблемы приводит к сокращению времени на выпуск новых образцов техники, улучшению технико-экономических показателей предприятий, обеспечивает возможность управлять сроками изготовления изделий за счет многовариантной оценки решений.

В рамках данной проблемы актуальны постановка и решение научной проблемы – создание теоретических основ для построения автоматизированных систем проектирования технологических процессов и сопровождения процессов производства изделий (АССП) в ПС геофизического приборостроения.

Решение проблемы предлагается осуществлять на основе формализации и автоматизации проектных процедур при проведении организационно- технологического проектирования ТПр, разработке и корректировке планов технологических подразделений и диспетчировании их работы.

Область исследования –методология разработки моделей и методов для анализа и синтеза проектных решений по проектированию технологий и планированию и управлению производством в машиностроении и приборостроении.

Объект исследования – процесс автоматизированного проектирования технологических процессов и принятия решений при сопровождении производства изделий в ГФП, методы и способы осуществления проектных процедур.

Цель диссертационной работы – совершенствование существующей методологии построения САПР ТП и АССП для предприятий геофизического приборостроения на основе совокупности принципов, моделей, положений и методов, создающих предпосылки для повышения степени автоматизации и интеллектуализации проектных процедур при разработке ТПр и сопровождении производства изделий.

Для достижения цели в работе осуществлялись постановка и решение основных исследовательских задач:

1) выбор и анализ объекта проектирования, анализ существующей методологии и систем автоматизированного проектирования технологических процессов и управления предприятиями разных уровней,

2) анализ моделей процесса проектирования и моделей представления знаний в САПР ТП и АССП, разработка принципов их создания, методов и моделей процессов автоматизированного организационно-технологического проектирования в САПР ТП и принятия решений в АССП на основе распознавания ситуации в технологических подразделениях,

3) построение иерархических теоретико-множественных описаний производственной системы, САПР ТП и АССП, обеспечивающих информационную интеграцию САПР ТП, АССП и технологический подразделений, и связь с системой управления организацией,

4) систематизация и формализация эвристик, организационных и технологических закономерностей построения технологии механической обработки, иерархическое представление процесса проектирования в САПР ТП на основе информационного преобразования состояний проектируемого объекта на уровнях декомпозиции, разработка методики автоматизированного проектирования ТПр с учетом загрузки оборудования и целевой функции ПС,

5) систематизация и формализация методов разработки объемных, календарных, оперативных планов и диспетчирования, учитывающих концепцию накопления контрактов, разработка моделей и алгоритмов процесса принятия решений в АССП на основе распознавания ситуации в ТП,

6) программная реализация методологии построения САПР ТП и АССП, разработка методик автоматизированного проектирования и сопровождения производства изделий, исследование предложенных моделей и методов при решении задач в производственных условиях.

Научная новизна. В настоящей работе:

1. Предложены на основе теоретико-множественного подхода и системных отношений и категорий «часть-целое», «система-подсистема», «целостность-разобщенность», «подчиненность целей», «преемственность структур» способы информационной и временной интеграции САПР ТП, АССП и ТП, обеспечивающие организационно-технологическое проектирование ТПр с учетом загрузки оборудования и целевой функции, и сопровождение производства на основе распознавания ситуации в технологических подразделениях.

2. Разработано представление процесса проектирования в САПР ТП, включающее: способ иерархической организации проектных процедур, способ формирования базы знаний продукционных моделей на основе системно-технологических закономерностей, способ оценки промежуточных решений критериями, функционально выражаемых через параметры состояния проектируемого объекта (ТПр) на уровнях декомпозиции и технологических подразделений, способ представления параметров состояний ТПр.

3. Предложены иерархические модели знаний для информационного обеспечения САПР ТП на основе теоретико-множественного подхода и выявленной иерархической системы исходных положений, вытекающих из технологических, системных и организационно-экономических принципов проектирования ТПр, включающие: описание уровней процесса проектирования и проектируемого объекта, описание процедур синтеза и оценки решений, описание процедур накопления опыта.

4. На основе выявленных принципов построения САПР ТП предложена методика автоматизированного проектирования технологических процессов, новизна которой заключается в систематизации и формализации проектных процедур на уровнях синтеза укрупненных схем, маршрутной и операционной технологии, разработки управляющих программ для станков с ЧПУ, и процедур оценки решений на уровнях системами критериев, зависящими от целевой функции ПС и параметров состояния ТП; в модификации решений при изменении загрузки оборудования и целевой функции.

5. Разработаны модели знаний для АССП на основе теоретико-множественного подхода, включающие: функциональное описание уровней сопровождения, логическую схему взаимосвязи проектных процедур, иерархические системы приоритетов, способы осуществления проектных процедур и распознавания ситуации в ТП.

6. На основе выявленных принципов построения АССП разработана методика автоматизированного сопровождения процессов изготовления приборов, новизна которой заключается в систематизации и формализации процедур расчета на всех уровнях сопровождения; взаимосвязи объемного, календарного, оперативного планирования и диспетчирования; оперативном планировании и диспетчировании на основе распознавания ситуации в технологических подразделениях; автоматическом переходе от одного уровня сопровождения к другому и в режим диалога.

7. Развита концепция принятия решений на основе интеллектуальной модели знаний, включающей продукционные модели представления знаний, логические, оптимизационные и интуитивные звенья. Разработаны методы формализации процессов проектирования и накопления знаний в САПР ТП и АССП.

8. Предложена методика диспетчирования технологических процессов на основе аппарата нечетких множеств, новизна которой заключается в ее применении применительно к дискретным машиностроительным объектам, выявлении совокупности входных и выходных параметров, разработке правил нечеткого вывода.

Методы исследования. В работе используются методы теорий: множеств, графов, формальных систем, искусственного интеллекта, исследования операций, управления, а также методы математической статистики.

Работа выполнена в рамах междисциплинарной отрасли научных знаний, охватывающих методологии систем автоматизированного проектирования, построения технологических процессов в машиностроении, автоматизированных систем управления предприятием и технологическими процессами, систем, проектирования, Бережливого производства, управления качеством.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями и апробацией на моделях и с помощью программных средств, реализующих отдельные элементы САПР ТП и АССП, доказывающими адекватность синтезированных технологических и управленческих решений условиям их реализации, соответствие информационного и системного представления проектируемых объектов реальным объектам в производственной системе. Результаты автоматизированного синтеза технологических процессов, объемных, календарных планов, календарных планов-графиков (КПГ) и диспетчирования при промышленной эксплуатации полностью подтверждают эффективность предложенных методик, моделей и алгоритмов в САПР ТП и АССП.

Практическая ценность работы заключается в повышении эффективности человеко-машинных систем при проектировании технологических процессов механической обработки и сопровождении процессов изготовления изделий в ГФП, выражающейся в автоматизации процедур: многовариантного синтеза решений и их отбора на уровнях декомпозиции процесса проектирования (САПР ТП), разработки планов всех уровней для технологических подразделений и принятия управленческих решений на основе диспетчирования (АССП). В ходе выполнения исследований:

1. Показана необходимость системной, информационной и временной интеграции САПР ТП, АССП и ТП в рамках производственной системы, что создает возможности: реализации дополнительного уровня управления ТП за счет проектирования ТПр с учетом целевой функции ПС и текущей загрузки оборудования; осуществлять планирование и диспетчирование на основе распознавания ситуации в технологических подразделениях.

2. Доказана возможность снижения субъективизма и времени технологической подготовки производства при повышении ее качества в условиях ГФП на основе САПР ТП, сочетающих методики многоуровневого организационно-технологического проектирования единичных и унифицированных ТПр, учитывающие загрузку оборудования ТП и целевую функцию ПС.

3. Сформирован иерархический комплекс системно-технологических закономерностей, базирующийся на технологических, системных, организационно-экономических принципах построения ТПр, определяющий формальное и семантическое содержание проектных процедур, и позволяющий с высокой степенью автоматичности получать описания ТПр на различных уровнях декомпозиции процесса проектирования.

4. Обоснован и сформирован комплекс интервальных критериев, позволяющий сократить пространство поиска решений на всех уровнях процесса технологического проектирования. Комплексы критериев модифицируются в зависимости от целевой функции производственной системы, и количественно определяются параметрами синтезированного технологического решения данного уровня и параметрами загрузки оборудования, необходимого для его реализации. Это избавляет от необходимости детальной проработки решений для их оценки целевой функцией в параметрах решения нижнего уровня.

5. Представлена развернутая иерархическая система формальных правил автоматизированного проектирования технологических процессов в САПР ТП, позволяющая производить разработку новой и доработку спроектированной ранее технологии, начиная со строго определенного уровня процесса проектирования. Предложен способ непосредственного перехода от известных системных характеристик детали к системным характеристикам технологического решения определенного уровня из числа спроектированных ранее.

6. Представлены и обоснованы формальные проектные процедуры в АССП, позволяющие автоматизировать: процессы принятия решений на различных этапах сопровождения выпуска приборов на основе распознавания и оценки ситуации в ТП; переход на следующие этапы и реализацию обратных связей при планировании; выработку управляющих воздействий по результатам анализа данных диспетчирования.

7. Разработаны иерархические системы (глобальный-внутренний-частный приоритет) динамичных приоритетных правил, определяющие формальные процедуры формирования календарного плана-графика прохождения деталей по операциям в технологических подразделениях. Выбор конкретной системы частных приоритетов осуществляется на основе анализа текущей ситуации в технологических подразделениях, переназначение глобальных и внутренних приоритетов при переходе в последующие интервалы оперативного планирования производится автоматически.

8. Представлена методика диспетчирования технологических процессов механической обработки на основе нечетких множеств, пригодная для реализации в подразделениях с числом рабочих мест до 30-ти, показаны входные параметры и способ определения их числовых значений, выходные переменные и их размерность, система нечетких правил вывода.

9. Разработаны и переданы в эксплуатацию методики и программные средства, защищенные свидетельством о регистрации программ для ЭВМ, обеспечивающие интеллектуализацию и автоматизацию комплексных задач разработки технологических процессов и сопровождения производства изделий в геофизическом приборостроении.

На защиту выносятся:

1. Совокупность теоретико-множественных моделей производственной системы, САПР ТП и АССП, построенных на основе системных отношений и категорий «часть-целое», «система-подсистема», «целостность-разобщенность», «внешняя среда», «подчиненность целей», позволяющая получить новые системные свойства при проектировании ТПр и сопровождении производства изделий, и определяющая функции, структуры, информационные связи и параметры решений в САПР ТП и АССП.

2. Методика представления процесса проектирования (ПП) в САПР ТП, включающая: способ декомпозиции ПП на уровни; способ организации проектных процедур; способ критериальной оценки в параметрах проектируемого объекта рассматриваемого уровня и технологических подразделений; способ представления знаний; модели технологических подразделений, реализующих ТПр, модели ТПр на уровнях декомпозиции; механизм накопления знаний.

3. Формальная система проектных функций и моделей, позволяющая преобразовывать информационное описание состояния детали, соответствующее заготовке, в описание состояния, соответствующее готовой детали. Система продукций основана на: иерархическом комплексе системно-технологических закономерностей, отражающих экономические, организационные и технологические принципы проектирования ТПр и системную интеграцию агентов в ПС; генерации множества вариантов; реализации связей с другими агентами ПС.