НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Павленко Петро Миколайович

УДК 005.311.2:004.94

МЕТОДИ І СИСТЕМИ АВТОМАТИЗАЦІЇ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ

ПІДГОТОВКИ ПРОМИСЛОВОГО ВИРОБНИЦТВА

Спеціальність 05.13.06 – Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: член-кореспондент НАН України, заслужений діяч науки і техніки України, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, доктор технічних наук, професор Бабак Віталій Павлович, Національний авіаційний університет, ректор.

Офіційні опоненти:

член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Євдокимов Віктор Федорович, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова, директор;

доктор технічних наук, професор Томашевський Валентин Миколайович, Національний технічний університет „КПІ”, кафедра автоматизованих систем обробки інформації та управління, професор;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Васюхін Михайло Іванович, Національний авіаційний університет, кафедра аеронавігаційних систем, професор.

Провідна установа: Державна науково-виробнича корпорація „Київський інститут автоматики” Міністерства промислової політики України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 25 ” травня 2006 р. о “ 14 ” год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.01 при Національному авіаційному університеті за адресою: 03058, Київ - 58, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, Київ - 58, проспект Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий “ “ ____________2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради В.С. Єременко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми Розробка та впровадження автоматизованих систем виробничого призначення на базі прогресивних інформаційних технологій на сьогодні є одним із пріоритетних напрямків розвитку промисловості України. Найменш комп’ютеризованими серед цих систем є автоматизовані системи технологічної підготовки виробництва (АСТПВ), а найменш формалізованою є автоматизація процесів управління технологічною підготовкою виробництва (ТПВ).

Необхідно відмітити, що в останні роки питанням розробки методів і систем у сучасній теорії управління, яка створювалась, у тому числі завдяки роботам вітчизняних вчених В.М. Глушкова, Л.С. Глоби, О.Г. Івахненка, В.І. Костюка, О.А. Павлова, В.І. Скурихіна, Л.С. Ямпольського та інших, приділяється велика увага. Аналіз останніх робіт в області управління етапами життєвого циклу промислових виробів показує, що в даний час зусилля вчених зосереджені в основному на вирішенні проблем автоматизації процесів управління виробництвом, залишаючи відкритим питання автоматизації управління технологічною підготовкою виробництвом.

Безперспективність подальшого розвитку систем автоматизації технологічної підготовки промислового виробництва, створених у радянські часи, закордонних АСТПВ та систем САРР (Сomputer Aided Process Planning) пояснюється багатьма причинами. Основними із них є такі:

1. Традиційні методи ТПВ, ґрунтуючись на методології єдиної системи ТПВ 80-х років минулого століття, розглядають проектування, планування та управління ТПВ, як функціонально не пов’язані процеси. Відсутня єдина інформаційна платформа прийняття оптимальних рішень для побудови АСТПВ.

2. Відсутність науково обґрунтованої методології побудови АСТПВ в інтегрованому інформаційному середовищі, а також сучасних методик аналізу та формалізації предметної галузі ТПВ.

3. Відставання у використанні досягнень сучасних інформаційних CALS-технологій (Continuous Acquisition and Life сycle Support) та PLM-рішень (Product Lifecycle Management) при розробці на їх основі ефективних методів автоматизації управління ТПВ.

Тому розробка методів побудови універсальних АСТПВ для вимог вітчизняних промислових виробництв, розробка універсальних інструментальних засобів моделювання предметної галузі та процесів ТПВ, методів автоматизованого управління ТПВ в інтегрованому інформаційному середовищі з урахуванням специфічних особливостей конкретних виробництв та можливістю адаптуватись до змінних потоків інформації в умовах реальних виробництв є актуальною на сьогоднішній день.

Таким чином, дисертаційна робота присвячена розв’язанню важливої науково-технічної проблеми – підвищення ефективності промислового виробництва на основі розробки методів та систем автоматизації технологічної підготовки промислового виробництва.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Національному авіаційному університеті відповідно до планів держбюджетних науково-дослідних робіт за темами 152-1-ДБ93 “Разработка типового проекта компьютеризации основных функций технологической подготовки производства предприятий машиностроения и приборостроения” (№UA01007470Р); 152-3-ДБ95 “Розробка методів і засобів інтеграції автоматизованих систем технологічної підготовки підприємств України” (№0194U023410); 152-4-ДБ97 “Теоретична розробка та дослідження методів і засобів комплексної автоматизації технічної підготовки виробництва підприємств України” (№0196U010113); 868-ДБ01 “Розробка теоретичних методів і засобів лазерно-комп’ютерного моделювання в середовищі інформаційних інтегрованих систем (№0199U002652); 228-ДБ05 “Розробка методів та методологій інформаційної підтримки життєвого циклу продукції авіаційних виробництв на базі ISO/CALS стандартів” (№0105U001815) та у рамках програми відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України 089-ДЗ02 “Розробка методів і засобів віртуального виробництва на базі CALS та Rapid Prototyping технологій” (№0102U005585). Автор брав участь у виконанні перших 3-х із названих робіт як науковий керівник, а в інших – як відповідальний виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів та систем автоматизації технологічної підготовки виробництва на основі інформаційних технологій в галузі автоматизації управління.

Поставлена мета досягається розв’язанням наступних взаємопов’язаних задач дослідження:

1. Розробити метод аналізу та оцінки інформаційних та матеріальних потоків ТПВ для проведення їх оперативного розподілу.

2. Розробити методи управління процесами ТПВ для підвищення ефективності промислового виробництва.

3. Розробити методологію побудови АСТПВ розширених виробництв.

4. Розробити методи та засоби управління процесами конструкторського і технологічного проектування та відповідними проектами для підвищення рівня автоматизації ТПВ.

5. Розробити методи управління розподіленими АСТПВ та методи інформаційної інтеграції з системами управління розширеним виробництвом.

6. Розробити методики, алгоритми та програмні засоби автоматизації технологічної підготовки промислових виробництв.

Об’єктом дослідження є процеси управління технологічною підготовкою промислових виробництв дискретного типу в інтегрованому інформаційному середовищі.

Предметом дослідження є методи, технології та програмні засоби систем автоматизації технологічної підготовки промислових виробництв.

Методи дослідження – апарат математичної логіки, теорія графів, теорія ймовірностей, теорія масового обслуговування, а також методи аналітичного та імітаційного моделювання (при розробці методів управління інформаційними потоками ТПВ та управлінням завантаження обладнання розширених виробництв), методи функціонального моделювання (дослідження предметної галузі та процесів ТПВ), теорія множин, методи поверхневого і твердотільного моделювання в середовищі сучасних автоматизованих CAD/CAM та PDM-систем (при дослідженні 3D-моделей виробу, моделювання процесу управління проектуванням), теорія штучного інтелекту та методи багатоагентних технологій (при розробці методу розподіленого функціонування АСТПВ розширених виробництв).

Запропоновані моделі і методи та методики і програми, що їх реалізують, досліджувались експериментально при впровадженні та промисловій експлуатації систем автоматизації ТПВ діючих виробництв.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі отримано нові наукові результати:

1. Вперше розроблено систему методів управління технологічною підготовкою розширених виробництв, яка базується на комплексному використанні функціональних, організаційних та інформаційних моделей ТПВ, аналітичного та імітаційного моделювання, що забезпечує автоматизацію процесів управління, а саме:

- метод аналізу інформаційних та матеріальних потоків в розподілених АСТПВ розширених виробництв, що дає змогу більш ефективно управляти потоками завдань та завантаженням обладнання підприємств;

- метод автоматизованого управління функціями ТПВ в інтегрованому інформаційному середовищі автоматизованих систем, який забезпечує підвищення рівня ефективності процесів технологічної підготовки виробництва;

- метод управління процесами ТПВ розширеного виробництва в інтегрованому інформаційному середовищі з використанням багатоагентних експертних технологій, що забезпечує побудову інтелектуальної комп’ютеризованої АСТПВ.

2. Запропоновано типові діаграми процесів ТПВ і структуру інтегрованого інформаційного середовища для побудови архітектури і компонентів систем автоматизації технологічної підготовки розширеного виробництва.

3. Розроблено методи та методики управління конструкторським і технологічним проектуванням, а також відповідними проектами, які забезпечують інтеграцію 3D-моделі з базами даних та знань, підвищують рівень автоматизації ТПВ, забезпечують гнучкість створюваної АСТПВ, а саме:

- метод управління процесом проектування операційних технологічних процесів та процесом обробки деталей на верстатах із числовим програмним керуванням;

- методика управління конструкторськими і технологічними проектами в інтегрованому інформаційному середовищі АСТПВ;

- метод інтеграції АСТПВ із системами управління виробництвом, який полягає в підготовці необхідної інформації для ERP-систем засобами розробленого додатку PDM-системи, що забезпечує підвищення ефективності процесів ТПВ і виробництва за рахунок інтегрованого розв’язання задач проектування технологічних процесів та підвищення рівня завантаження обладнання при спільному функціонуванні АСТПВ і ERP-систем.

4. Запропоновано принципи побудови автоматизованих систем технологічної підготовки виробництва, схеми ефективної взаємодії фахівців підприємства, які беруть участь у розробці АСТПВ та інжинірингових фірм, що забезпечують використання інструментальних засобів (PLM-рішень), розроблено схему поетапної побудови АСТПВ на основі цих PLM-рішень та алгоритм побудови розширених виробництв.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблена методика використання функціонального моделювання предметної галузі та процесів ТПВ, яка застосована при побудові АСТПВ на промислових підприємствах та для управління технологічною підготовкою виробництва.

2. На базі цієї методики побудована та реалізована в середовищі PDM-системи SmarTeam структура інтегрованого інформаційного середовища ТПВ, що являє собою уніфіковане базове рішення, яке істотно скорочує трудомісткість і час створення АСТПВ.

3. Розроблена методика управління конструкторським і технологічним проектуванням та відповідними проектами в інформаційному середовищі PDM-системи SmarTeam v5R14 з використання процедурних модулів CAD/CAM системи Cimatron E v7.

4. Розроблена методика побудови розширених виробництв на основі впровадження АСТПВ, комплексного використання методів управління ТПВ, які функціонують в інтегрованому інформаційному середовищі.

5. На основі розроблених методів і методик створено методичне, алгоритмічне та програмне забезпечення АСТПВ, яке реалізує автоматизацію технологічної підготовки виробництва.

6. Розроблено рекомендації з побудови АСТПВ, її промислової експлуатації в інтегрованому інформаційному середовищі розширеного виробництва.

Розроблені методи, методичне та програмне забезпечення АСТПВ впроваджено на підприємствах України та Росії, зокрема на ВАТ “Мотор Січ” (м. Запоріжжя), ВАТ “Сумське науково-виробниче об’єднання ім. М.В.Фрунзе” (м. Суми), ЗАТ “Бі Пітрон” (м. Санкт-Петербург).

Результати дисертаційних досліджень використовуються у навчальному процесі Національного авіаційного університету (м.Київ), Хмельницького національного університету (м.Хмельницький), Вінницького національного технічного університету (м.Вінниця), Санкт-Петербурзького державного інституту точної механіки й оптики (технічний університет) (м.Санкт-Петербург).

Особистий внесок здобувача. Дисертація відображає результати досліджень, здійснених автором у Черкаському державному технологічному університеті (1993-1998р.) та Національному авіаційному університеті (1999-2005р.). Основні результати одержані здобувачем самостійно. Автору особисто належать ідеї та розробки, пов’язані зі створенням методології побудови АСТПВ, методів управління ТПВ та практичною реалізацією концепції автоматизованого управління процесами ТПВ розширених виробництв.

У надрукованих статтях, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить наступне: постановка задачі, теоретичне обґрунтування формального апарату, розробка методів [3, 4, 7, 13, 15, 20, 29, 41], формальні моделі, функціональні та архітектурні рішення системи [5, 31], принципи, методологія побудови систем [6, 10, 28, 33, 35, 40], формулювання проблем, визначення задач та концептуальних основ побудови систем [2, 30, 34, 38].

Апробація результатів дисертації. Результати роботи й основні наукові положення доповідались та обговорювались на 18 міжнародних симпозіумах, конференціях і семінарах. Основні з них такі: Республіканська конференція “САПР конструкторской и технологической подготовки автоматизированного производства в машиностроении” (Харків, 1990 р.); Республіканська науково-технічна конференція “Автоматизированное проектирование гибких производственных систем многономенклатурного производства” (Київ, 1991р.); Республіканська науково-технічна конференція “Технологические методы повышения эффективности и качества механосборочного производства” (Київ, 1992 р.); Міжнародна конференція “Компьютерные технологии в промышленности” (Київ, 1994 р.); Міжнародна конференція “Оснастка – 95” (Київ, 1995 р.); Конференція “Новые компьютерные технологии в АСУП и САПР в промышленности” (Київ, 1995 р.); ІV Українська конференція з автоматичного управління “Автоматика 97” (Черкаси, 1997 р.); Міжнародна наукова конференція “Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии” (Харків, 1998 р.); ІV Міжнародна науково-технічна конференція “АВІА–2002” (Київ, 2002 р.); Міжнародна науково-технічна конференція “Современные средства автоматизации и компьютерно-интегрированные технологии” (Краматорськ, 2003 р.); Міжнародний симпозіум „Стандарты в проектах современных информационных систем” (Москва, 2003 р.); VІ Міжнародно-технічна конференція “АВІА–2004” (Київ, 2004 р.); Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні” (ІКТМ–2004) (Харків, 2004 р.); Міжнародна науково-практична конференція “Актуальные вопросы и организационно-правовые основы сотрудничества Украины и КНР в сфере высоких технологий” (Київ, 2004 р.); Міжнародна науково-технічна і методична конференція “Актуальні проблеми математики, механіки і комп’ютерних технологій (АПММКТ – 2005) (Хмельницький, 2005 р.); Міжнародна науково-технічна конференція “Датчики, прилади та системи – 2005”(Ялта, 2005 р.); ІV Международная научно-практическая конференция „Техника для химволокон” (Чернігів, 2005 р.); VІІ Міжнародно-технічна конференція “АВІА–2005” (Київ, 2005 р.), а також наукові семінари інституту інформаційно-діагностичних систем НАУ в 1999–2005 роках.

Публікації. За темою дисертації опубліковано більше 60 наукових праць, у тому числі 23 у фахових наукових виданнях, із них 14 одноосібні, включаючи наукову монографію. Перелік основних 41 публікацій наведено в авторефераті.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 363 сторінки, з яких основний зміст викладено на 266 сторінках, містить 105 рисунків і 9 таблиць, список використаних джерел із 264 найменувань на 25 сторінках, додатків на 48 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, що вирішується, сформульовані мета й задачі досліджень, визначені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів. Наведені дані про зв’язок роботи з науковими програмами та планами НДР організації, де виконувалась робота, вказано на впровадження отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача у надрукованих роботах, представлена інформація щодо апробації та публікації результатів дисертації.

У першому розділі на основі аналітичного огляду стану проблеми обґрунтовано нагальну потребу розробки та задачі дослідження. Проведено аналіз сучасних методологій побудови автоматизованих систем та методів управління технологічною підготовкою виробництва, методів моделювання об’єктів, функцій та проектних рішень процесу автоматизації ТПВ. Показано функціональні можливості відомих автоматизованих систем, які частково автоматизують функції ТПВ. Проведено аналіз впливу процесів глобальної трансформації промисловості та досягнень прогресивних інформаційних технологій на процес технологічної підготовки виробництва.

На підставі аналізу зроблено висновок, що з появою сучасних автоматизованих систем (CAD/CAM/CAE, PDM-систем та ін.) поняття АСТПВ стало неоднозначним із-за виконання ними різних локальних задач ТПВ без їх розгляду, як комплексу підсистем єдиної і завершеної АСТПВ. Предметна спеціалізація ТПВ, а також вимоги комплексності при автоматизації ТПВ роблять актуальним розгляд АСТПВ як логічно завершеної і самостійно-функціональної системи. При цьому CAD/CAM і CAE-системи, САПР ТП та інші автоматизовані системи стають засобами виконання різних проектних процедур, а PDM-система – засобом для реалізації процесів управління ТПВ. Розроблювана АСТПВ повинна виступати як інформаційна система підтримки процесів прийняття рішень у галузі ТПВ промислових підприємств.

Показано, що процеси трансформації виробництва вимагають зміни функціональності АСТПВ та її архітектури, зокрема АСТПВ повинна мати у своєму складі інструментальні засоби і досконалі методи управління ТПВ в розподіленому середовищі промислового виробництва. Розглянуті можливості нових організаційних форм промислових підприємств – розширених підприємств. Показано невідповідність даного терміну сучасним вимогам. Введено новий термін – „розширене виробництво”, розроблено класифікацію таких виробництв. Проведено аналіз стану розробки та методів впровадження АСТПВ у промислове виробництво України.

Визначено сукупність питань, які складають науково-технічну проблему, що вирішуються в дисертаційній роботі. Проблема включає в себе: по-перше, розробку моделей, методик, алгоритмів та програм, які б дозволяли комплексно автоматизувати процеси ТПВ і підвищити їх ефективність; по-друге, створити методологію побудови АСТПВ в інтегрованому інформаційному середовищі розширених виробництв на основі автоматизації управління ТПВ. Поставлені питання вимагають вирішення цілого комплексу взаємопов’язаних задач, які представлені як задачі дослідження і розглядаються в наступних розділах дисертації.

Другий розділ присвячено розробці методологічних основ побудови автоматизованих систем технологічної підготовки промислового виробництва. Розглянуто фактори, які враховуються при побудові АСТПВ. Показано, що процес побудови АСТПВ є функцією трьох базових факторів

, (1)

де – АСТПВ; – вектор характеристик предмет-ної галузі; – вектор характеристик обраної ме-тодології побудови інформаційних систем; – вектор характеристик інструментальних засобів, що використовуються;  – локальні фактори векторів різних характеристик.

Аналіз функцій локальних факторів (1), дозволив сформулювати базові принципи побудови АСТПВ з урахуванням сучасних тенденцій розвитку промислового виробництва та досягнень сучасних інформаційних технологій. Основними з яких є: урахування головної ролі 3D-моделі виробу; використання PLM-рішень, як інструментальних засобів; використання процесного підходу та об’єктно-орієнтованих моделей процесів ТПВ; створення інтегрованого інформаційного середовища (ІІС) для фахівців ТПВ; використання реінжинірингу та нових організаційних форм ТПВ.

Розглянуто організаційні механізми побудови АСТПВ, які основані на методах реінжинірингу та об’єктно-орієнтованого підходу. Запропоновано схему ефективної взаємодії фахівців підприємства, які беруть участь у розробці АСТПВ та інжинірингових фірм, що забезпечують поставку та супровід інструментальних засобів (PLM-рішень). Проведено аналіз процесу вибору конкретних PLM-рішень і запропоновано схему поетапної побудови АСТПВ на основі цих PLM-рішень (рис.1), яка складається з ряду послідовних і паралельних етапів розробки.

Встановлено вимоги до інтегрованого інформаційного середовища (ІІС) АСТПВ розширених виробництв. Розроблено структуру ІІС, яка включає загальну базу даних підприємства, базу даних виробів та інформаційні об’єкти із структурою даних згідно стандартів групи ІSO 10303.

Показано, що АСТПВ є сукупністю програмних та апаратних засобів, які виконують функції збору та обробки інформації, оптимального формування алгоритмів управління процесами ТПВ. Задача розробки сучасних АСТПВ полягає у дослідженні, проектуванні та реалізації складних інформаційних систем із використанням процесного підходу, методів аналітичного та імітаційного моделювання. Систематизовано відомі підходи до побудови структури систем і аналізу процесів та запропо-новано методику структуризації процесів ТПВ на основі сукупності функціональної, орга-нізаційної та інформаційної моделей.

Запропоновано класифіка-цію функцій, яка дозволяє створювати типові функціональні моделі на різних рівнях декомпозиції, які витікають з положень загальної теорії систем по М.Месаровичу (рис.2). Моделі першого рівня описують процеси управління структурними під-розділами ТПВ і взаємодії основних та допоміжних процесів. Моделі другого рівня описують структуру процесів ТПВ, третього – операції етапів ТПВ і четвертого – дії фахівця з ТПВ у межах операції, дії обладнання та ін.

Встановлено відповідність між функціональними моделями та орга-нізаційно-технічними структурами, які реалізують процеси ТПВ підприємства.

Проведено топологічний аналіз організаційних моделей структури АСТПВ на основі математичного аналізу теорії графів.

З метою розробки нових математичних моделей для формалізації процесів управління ТПВ, у роботі використано в якості математичного апарату моделювання теорію масового обслуговування, а в якості моделей ТПВ для 3-го і 4-го рівнів ТПВ – системи масового обслуговування (СМО). Розроблено методику побудови імітаційних моделей ТПВ, яка дозволяє вирішити задачу аналізу інформаційних потоків, виявити основні закономірності функціонування технологічної підготовки та синтезувати структуру АСТПВ (рис.3).

Проведено дослід-ження процесів техно-логічної підготовки виробництва, що дозволило розробити метод аналізу інформаційних та матеріальних потоків в розподілених АСТПВ, який дає змогу оцінити продуктивність блоків (функцій і прецедентів), які виконують перетворення матеріальних та інформаційних потоків, визначити реальну пропускну здатність каналів (ліній обробки, верстатів, АРМ технологів та ін.) по яких ці потоки передаються, перерозподіляти потоки завдань фахівців та управляти завантаженням обладнання розширених виробництв, виявити „вузькі” місця та резерви, оцінити залежність продуктивності від надійності обладнання та витрати ресурсів. При цьому процеси ТПВ розглядались як багатоканальні СМО з обмеженим очікуванням, основними показниками роботи яких є ймовірність відмови , яка означає вірогідність того, що система в момент часу t перебуває в стані k – Рк(t) та асимптотична поведінка цих величин за для декількох варіантів представлення дисципліни черги та часу зайнятості каналу і часу очікування. Для найбільш загального випадку, коли час зайнятості каналу і час очікування розподілені за показниковими законами, імовірності та розраховуються наступним чином:

при ; (2)

, (3) де ; ? – інтенсивності обробки матеріального або інформаційного потоку в каналі; – інтенсивності потоку; – кількість каналів; – кількість зайнятих каналів; – кількість заявок у черзі.

Використовуючи математичні моделі (2, 3) та дані конкретних виробничих процесів, розроблено алгоритм роботи системного аналітика АСТПВ та програмний модуль ANALYSIS, які дозволяють автоматизувати управління ТПВ розширених виробництв та здійснювати розрахунки середнього часу перебування заявки в черзі Точ, середнього часу перебування в системі Тс, середнього часу простою Тпр. Результати розрахунків ?, ?і, ро, Точ, Тс , Тпр для аналізу потоків заготовок, які поступають на дільницю з 5-ти верстатів для подальшого виготовлення виробів, наведені на рис.4.

Розроблено метод оптимального динамічного управління процесами ТПВ, який дозволяє для кожного фіксованого значення керованих параметрів забезпечити екстремальне значення визначеного критерію. На прикладі управління процесами технологічного проектування показано, що задача визначення оптимального технологічного процесу зводиться до знаходження мінімуму функціонала

(4)

де – вектор зміни часової характеристики технологічного процесу; – вектор керованих параметрів, таких, як – час і – швидкість переміщення інструменту на робочому та холостому ході відповідно.

Для переходу від загальної (4) до конкретної постановки задачі, побудовано узагальнений функціонал, відповідно до -алгебри, яка задана системою рівнянь

(5)

яка визначає час машинної обробки деталі

, (6)

де – довжина траєкторії переміщення інструмента на робочому та холостому ходах відповідно; – швидкість переміщення інструменту на робочому та холостому ходах відповідно; – час на заміну інструменту; – час на позиціювання столу-супутника верстата; – індекс та кількість робочих ходів відповідно; – індекс та кількість холостих ходів відповідно; – індекс та кількість сторін обробки виробу відповідно; – індекс та кількість позиціювань під час обробки виробу відповідно; – сумарний час обробки сторони деталі; – кількість інструментів, які використовуються для обробки виробу під час одного позиціювання.

Для вирішення задачі оптимального динамічного управління необхідно забезпечити оптимальність параметрів і , які забезпечать максимальне значення ймовірності події за якої технологічний процес буде спроектований за заданої - алгебри в просторі так, що загальний час обробки , де – заданий загальний час обробки.

Враховуючи, що – ймовірність того, що параметри простору в спроектованому технологічному процесі знаходяться в інтервалі маємо у вигляді

, (7)

де  – символ міри в просторі , а ; – час механічної обробки деталі на даному -му технологічному переході, який задається технологом, що змінює складові на кожному з кроків проектування. Показано, що технологічний процес буде мати найбільшу ефективність тільки тоді, коли

. (8)

Послідовність у цьому разі є мірою, яка характеризує якість процесу управління проектуванням. Це дає підставу зробити висновок про подію завершення процесу управління проектуванням і про ймовірність цієї події .

Ураховуючи теорему про суму імовірностей, узагальнену характеристику якості процесу проектування оптимальної за критерієм продуктивності технології, можна розрахувати за формулою

(9)

де .

Отже, функціонал (9) є функцією своїх аргументів і розглядається як критерій, який характеризує задану на співвідношеннями (5) та (6) -алгебру. Управління забезпечує максимальне значення функції . У роботі проведено узагальнення запропонованого методу і показано його застосування для автоматизації задач управління плануванням ТПВ.

У третьому розділі встановлено, що для побудови АСТПВ та розробки методів управління і формалізації потоків інформації ТПВ промислових підприємств, опису її об’єктів ефективна побудова інформаційних моделей на основі методології функціонального моделювання RUP/UML (Rational Unified Process/Unified Modeling Language).

Представлено результати функціонального моделювання об’єктів і процесів ТПВ на базі методології RUP/UML та структури інтегрованого інформаційного середовища. Запропонована методика побудови восьми типів діаграм, яка описує як процеси, так і інформаційні об’єкти ТПВ. Розроблено правила деталізації функціональних діаграм, які використовуються для аналізу предметної галузі та оптимізації процесів ТПВ. Розроблено типові функціональні моделі основних функцій ТПВ – відпрацювання виробу на технологічність, проектування оснастки та засобів технічного оснащення, проектування технологічних процесів, які можуть використовуватись як аналоги під час побудови функціональних моделей на промислових підприємствах України.

Запропоновано правила деталізації функціональних діаграм діяльності, які описують процеси ТПВ та методику переходу до графіків виробничих завдань (Workflow) засобами PDM-системи SmarTeam, що забезпечує реалізацію зав-дань управління ТПВ. Методика та встановлені правила утворюють методо-логічну основу для переходу від функціональних моделей процесів ТПВ до їх прак-тичної реалізації в авто-матизованій системі технологічної підготовки виробництва.

Встановлено, що вся сукупність об’єктів предметної галузі ТПВ може бути віднесена до суперкласу в нотації UML „Продукт – Процес – Ресурс”. Запропоновано терміни цих понять, структуру їх розділів в інтегрованому інформаційному середовищі. Побудовано загальну структуру інтегрованого інформаційного середовища ТПВ розширеного виробництва з використанням діаграм класів UML (рис.5), яка ґрунтується на структуруванні моделі ТПВ як сукупностей даних „Продукт – Процес – Ресурс” та утворює методологічну основу процесу побудови архітектури і розробки компонентів АСТПВ.

У четвертому розділі розроблені методи управління конструкторсько-технологічним проектуванням в інтегрованому інформаційному середовищі АСТПВ на основі інформаційної структури 3D-моделі. Аналізуються варіанти інформаційного представлення та методи використання 3D-моделей. Запропоновано новий підхід до інформаційного представлення 3D-моделей виробу, який дозволяє автоматизувати задачі управління ТПВ. У загальному вигляді 3D-модель описується функцією

(10)

де – момент часу, в який на і-номер верстату (лінії, дільниці тощо) надійшов на обробку – номер виробу (об’єкту, напівфабрикату тощо); – матриця станів безперервних параметрів; – матриця станів дискретних параметрів.

Розроблено механізм створення прикладних процедурних додатків, який реалізується засоба-ми прикладного програм-ного АРІ інтерфейсу PDM-системи і дозволяє вирі-шувати задачі управління конструкторським та тех-нологічним проектуван-ням з використанням бази даних виробів та бази корпоративних знань роз-ширеного виробництва (рис.6).

Проведено комплексне дослідження методів використання 3D-моделей системи „Верстат – Пристрій – Інструмент – Деталь”, на основі функціональних можливостей сучасних автоматизованих систем виробничого призначення.

Показано, що 3D-моделі елементів технологічної системи є як джерелом інформації під час вирішення широкого спектра завдань із розробки операційного технологічного процесу та формування керуючих програм (КП) для верстатів з числовим програмним керуванням, так і тими базовими елементами, на яких будуються алгоритми проектних процедур.

Розроблено математичні моделі процесу обробки виробу, представлені аналітичними співвідношеннями, які описують зміни параметрів напівфабрикату в процесі обробки та з урахуванням (10):

(11) (12)

де  – параметри, що характеризують верстат і процес оброб-ки; – команди системи управління обробкою (команди КП); – випадкові відхилення від кінцевого стану параметра , які визначаються похибками обробки та описуються відповідними законами розподілу; - параметри готового виробу після обробки.

Запропоновано метод управління процесом проектування операційних технологічних процесів та обробки виробів на верстатах з числовим програмним керуванням, який побудовано на основі інформації від автоматизованих систем та змін в 3D-моделі виробу (рис.7).

Формування програмних траєкторій інструменту запропоновано здійснювати шляхом одночасного розв’язання системи рівнянь, яка описує апроксимовані поверхні виробу та математичну модель інструменту в єдиній системі координат (як правило, виробу) відносно нульової точки інструменту, тобто

(13)

де  – програмні координати інструменту; – орти, що визначають положення осі інструменту в системі координат деталі. Управляючі сигнали для механізму відпрацювання просторового положення іструменту розраховуються постпроцесором як різниця між поточним положенням інструменту та програмною тракторією з відповідним коефіцієнтом

, (14)

де  – відхилення поточної траєкторії інструменту від програмної; q – коефіцієнт підсилення управляючого сигналу.

Функціонування блоку контролю точності обробки здійснюється відповідно до механізму верифікації сучасних CAD/CAM-систем, в ос-нову якого покладено порівняння вихідної (конструкторської) моделі деталі з моделлю деталі, яку отримано в результаті обробки. Оцінкою точ-ності є величина відхи-лень параметрів деталі після обробки від її номінальних параметрів (Н). Припускаючи, що процес обробки було завер-шено точно, без помилок, тобто з урахуванням (11) для отримано

, (15)

, (16)

Матриця призначена для розрахунків точок контакту інструменту з устаткуванням та контролю за завершенням процесу обробки.

Розроблено методику наскрізного паралельного проектування формоутво-рюючої оснастки (ФО) та іструменту з використанням інтегрованих процедурних САD-додатків. Для цього використано сучасні САD/САМ-системи Cimatron E і Catia v5 та засоби програмного АРІ інтерфейсу РDМ-системи SmarTeam. Показано, що в основу методу покладені параметризовані 3D-моделі виробів, розташовані в загальній базі даних ІІС, що забезпечує високий рівень автоматизації проектних завдань та можливість колективного і паралельного проектування. У нотації UML моделювання на рис.8 показано етапи методики проектування.

Автором запропонована методика управління кон-структорськими (рис.9) і тех-нологічними проектами в ІІС АСТПВ, побудована на про-ектних процедурах управління АРІ інтерфейса PDM-системи SmarTeam. Розроблено нові підходи до побудови систем технологічного проектування – САПР ТП та автоматизації процесу технологічного проектування, які полягають у використанні інформаційних об’єктів ТПВ інтегрованого інформаційного середовища АСТПВ.

У п’ятому розділі представлено методи та засоби управління процесами технологічної підготовки виробництва в інформаційному середовищі розширеного виробництва. Показано, що в сфері конструкторського і технологічного проектування та виготовлення засобів технологічного оснащення існує реальне конкурентне середовище, яке досліджується як розширене виробництво першого рівня. Розроблено метод управління замовленнями розширеного виробництва та алгоритм його виконання. Структурна схема, що пояснює використання методу управління замовленнями, наведена на рис.10. Програмна реалізація методу базується на прикладному АРІ інтерфейсі PDM-системи та функціональних можливостях розподілених АСТПВ. Блок управління процесом обробки інформації та прийняття рішення містить у собі програмну реалізацію розробленого алгоритму, який забезпечує мінімізацію функції, що має вигляд

(17)

де d1, d2, d3, d4 – вагові коефіцієнти; S – вартість виконання замовлення; T – час виконання замовлення; Q – якість виконання замовлення; R – ступінь ризику.

Запропоновано метод інформаційної інтеграції АСТПВ із системами управління виробництвом (ЕRP-системи), що полягає в підготовці необхідної інформації для ЕRP-систем засобами прикладного АРІ інтерфейсу PDM-системи.

Сформовано матриці параметрів виробу відпо-відно до моделі (10) та вимог стандарту MRP-ІІ.

Використання даних моделі (10) та методу управління процесом технологічного проекту-вання і обробки виробу забезпечує підвищення сумарної ефективності процесів ТПВ і процесів виробництва за рахунок інтегрованого розв’язання задач проектування технологічних процесів та оптимізації завантаження обладнання при спільному функціонуванні АСТПВ і ЕRP-систем.

Встановлено, що для умов розширених виробництв метод інтеграції АСТПВ і систем управління виробництвом дозволяє розв’язувати задачі вибору обладнання в поточних операціях технологічного процесу. Діаграму реалізації методу в нотації UML моделювання представлено на рис.11. Встановлено, що на прийняття рішення впливають додаткові фактори, такі як транспортні витрати, витрати на пристосування, витрати на допоміжний інструмент та ін.

Для вирішення задач управління ТПВ в інтегрованому інформа-ційному середовищі роз-ширеного виробництва запропоновано викорис-тання методу багато-агентних технологій. Показано, що функції агенту реалізують прог-рамні модулі АРІ інтерфейсу PDM-системи. Розглянуто принципи взаємодії агентів, структуру даних для аналізу і прийняття проектних рішень, функції агентів по пошуку замовлень, аналізу робіт і ресурсів, оцінці замовлень, формуванню замовлень на виготовлення.

Запропоновано метод управління розподіленими АСТПВ у відкритому інформаційному середовищі на основі застосування багатоагентних експертних технологій під час функціонування розширеного виробництва, що дозволяє здійснювати ОЕМ-діяльність (Original Equipment Manufacturer). Метод покладено в основу розробки багатоагентної експертної підсистеми (БЕП) в інтегрованому інформаційному середовищі АСТПВ, структурно-функціональна схема якої наведена на рис.12.

Розглянуто механізми побудови інструментарію БЕП, які складаються із двох компонентів: засобів розробки і середовища агентно-орієнтованих програм. Перший компонент забезпечує підтримку процесів аналізу предметної галузі ТПВ розширених виробництв і розробку програмних додатків АРІ інтерфейсу PDM-системи (агентів із заданою поведінкою). Другий – забезпечує інформаційне середовище даними, необхідними для виконання агентно-орієнтованих програм. Діаграмму проектування й реалізації агентно-орієнтованих додатків в нотації мови UML представлено на рис.13.

Розробка інструментарію базується на функціональному моделюванні об’єктів і процесів ТПВ та програмних засобах налагодження агентних додатків та програм управління агентами на базі АРІ інтерфейсу PDM-системи.

Блок моделювання є основною складовою частиною БЕП і здійснює наповнення бази даних, бази знань та бази прецедентів, формує алгоритм агентів, відбір інформації та управління процесом моделювання. Блок управління процесом обробки інформації та прийняття рішення виконує роботу агентів БЕП. Програмні додатки АРІ інтерфейсу PDM-системи задають схему дій агентів. Після отримання вхідного запиту здійснюється його обробка (ідентифікація, класифікація, оцінювання) з використанням відповідних баз даних, знань і прецедентів. Блок програмних засобів, які розширюють можливості управління ТПВ, забезпечує виконання задач управління розподіленими АСТПВ.

Шостий розділ присвячений розробці методик практичної реа-лізації методів і засобів побудови розширених виробництв на базі створеної АСТПВ та методів управління технологічною підготов-кою виробництва. Вихо-дячи з проведеного аналізу застосування запропонованих методів побудови розширених виробництв та впровадження автоматизованих систем ТПВ, сформульовано вимоги до технічних засобів як на фізичному, так і на логічному рівні. В результаті запропоновано структурно-функціональні схеми архітектурних рішень технічних засобів для кожного із трьох рівнів розширеного виробництва. Розглянуто чотири варіанти моделей екстра мереж для задач побудови розширеного виробництва.

Практичне застосування розроблених у дисертації методів та програмних засобів автоматизації процесів ТПВ реалізовано в автоматизованій системі технологічної підготовки розширених виробництв (рис.14).

За допомогою АСТПВ стало можливим автоматизувати наступні задачі технологічної підготовки розширеного виробництва:

– управління процесом технологічного проектування;

– управління конструкторськими і технологічними проектами (КТПр) та проектними процедурами;

– управління плановими і диспетчерськими роботами;

– управління правом доступу до бази даних (БД) інтегрованого інформаційного середовища АСТПВ;

– управління розподіленим функціонуванням АСТПВ розширених

виробництв;

– управління потоками завдань фахівців та завантаженням обладнання розширених виробництв;–

управління процесами змін у документації в реальному часі тощо.

АСТПВ забезпечує формування інтегрованого інформаційного середовища розширеного виробництва за рахунок розроблених у дисертаційній роботі методів і засобів. Система може експлуатуватись такими спеціалістами промислових підприємств України: керівниками структурних підрозділів, конструкторами, технологами, диспетчерами дільниць і цехів, співробітниками служб маркетингу та ін. Приклад результатів роботи АСТПВ у вигляді інформаційних моделей проекту виробу представлено на рис.15.

Запропонована в дисер-тації система методів: метод формалізації та аналізу об’єктів і процесів ТПВ, методи управління про-цесами ТПВ, методи управління та інтеграції розподілених автоматизо-ваних систем виробничого призначення, методи побу-дови інтегрованого інформа-ційного середовища та бага-тоагентних експертних сис-тем в сукупності складає методологію побудови АСТПВ.

Ця методологічна осно-ва дозволила розробити методику побудови типових розширених виробництв першого рівня на базі діючих в Україні промислових підприємств. Методика охоплює 11 етапів, які виконуються як послідовно, так і паралельно в часі, та включає наступне: формування робочої групи фахівців та їх навчання; розробку план-графіків та концепції побудови розширеного виробництва; аналіз і моделювання процесів ТПВ та їх інформаційних потоків; побудову інтегрованого інформаційного середовища на базі PDM-системи; формування загальної бази даних підприємства та залучення ресурсів; вибір та впровадження автоматизованих систем виробничого призначення; забезпечення інтеграції PDM-системи із прикладними програмами та автоматизованими системами; впровадження АСТПВ; впровадження методів і методик управління ТПВ розширеного виробництва; формування баз даних виробів, які виготовлялись раніше; правила експлуатації розширеного виробництва. Запропоновано алгоритм реалізації цієї методики, наведено практичні рекомендації.

Результати впровадження запропонованої АСТПВ показали, що застосування методів автоматизованого управління ТПВ дозволили не тільки автоматизувати і контролювати ТПВ, а й виконувати безпосереднє управління процесами ТПВ розширених виробництв у створеному інтегрованому інформаційному середовищі. Що стосується багатоагентної експертної підсистеми АСТПВ, то для неї взагалі не існує аналогів. Проведені тестування розроблених методів і програмних модулів АСТПВ показали їх високу ефективність у розосередженому варіанті структурних підрозділів розширеного виробництва. Наприклад, для 3-х дільниць верстатів, розосереджених на різних територіальних промислових майданчиках ВАТ „Сумське науково-виробниче об’єднання ім. М.Ф.Фрунзе”, підвищена продуктивність виробництва на 51%. Використання програмного модуля “Optimum” у виробничих умовах ВАТ „Мотор Січ” забезпечило підвищення продуктивності обробки виробів на багатоцільовому оброблювальному центрі ИР500МП4 на 12% при заданій точності обробки. Використання багатоагентної експертної підсистеми АСТПВ в розробках російського підприємства ЗАТ „Бі Пітрон” показало її високу ефективність при вирішенні завдань управління процесами ТПВ підприємств розширеного виробництва, які реалізують ОМЕ-діяльність.

Автором запропонована методика розрахунку економічної ефективності використання АСТПВ на промислових підприємствах.

У додатках наведено: методику оцінки характеристик процесів ТПВ розподіленої структури ВАТ „Сумське науково-виробниче об’єднання ім.М.В.Фрунзе”; лістинг програми для розрахунку характеристик функціональної моделі технологічного процесу; результати апробації методу оптимального динамічного управління процесами ТПВ; структуру об’єктів предметної галузі ТПВ, реалізовану в інтегрованому інформаційному середовищі PDM-системи SmarTeam для умов ВАТ „Бі Пітрон” (м.Санкт-Петербург); акти про впровадження та використання результатів досліджень.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота є теоретично обґрунтованим дослідженням, узагальненням та практичним розв’язанням науково-технічної проблеми підвищення ефективності промислового виробництва на основі розробки методів і систем автоматизації технологічної підготовки, які забезпечують значне підвищення продуктивності праці як фахівців підприємства, так і підприємства в цілому.

Отримані в дисертаційній роботі результати є істотним внеском у розвиток теорії і практики побудови систем автоматизації технологічної підготовки промислових виробництв на основі методів автоматизації управління та досягнень прогресивних інформаційних технологій, зокрема:

1. Проведено аналіз сучасних методологій побудови АСТПВ, виявлено вплив процесів глобальної трансформації та можливостей сучасних інформаційних технологій на технологічну підготовку промислового виробництва, що дозволило обґрунтувати задачі досліджень, запропонувати нові принципи та схеми поетапної побудови автоматизованих систем технологічної підготовки вітчизняного виробництва.

2. Вперше розроблено методи управління процесами ТПВ, які дають можливість проводити оцінку та оперативний перерозподіл виробничих завдань і забезпечують за заданим критерієм якості та лінійними обмеженнями процес, оптимальний з погляду найбільшої ймовірності