Описана автоматизированная система для оценки трудоемкости изготовления инструментальной оснастки.Инструментальная оснастка обеспечивает необходимые параметры обработки деталей и узлов изделий, влияет на качество продукции и, как следствие, на эффективность функционирования производства в целом.
Количественный анализ номенклатуры инструментального производства, проведенный на предприятиях Уральского региона, показал, что доля специального инструмента, технологической оснастки и пресс-форм составляет значительную часть от общего объема выпускаемых изделий. При этом штучное время, затрачиваемое на изготовление изделий указанных групп, составляет около половины общего фонда времени (рис. 1).
Рис. 1. Сравнительная оценка штучного времени
Если штучное время на изготовление нормализованного инструмента может быть определено на основе типовых норм или операционных карт, то для специального инструмента и оснастки такой подход во многих случаях невозможен из-за отсутствия стабильных технологических процессов. При опытном, единичном и мелкосерийном производстве специализированного инструмента и оснастки разработка операционных карт на каждое изделие зачастую оказывается невыгодной, поэтому практически всегда их заменяют маршрутными картами. Для получения штучных норм времени в этом случае могут быть использованы статистический метод или метод аналогий. Однако они подразумевают наличие на предприятии достаточно большой и регулярно обновляемой статистической базы данных. Кроме того, полученные таким образом нормы могут быть использованы только на определенном предприятии и вряд ли будут приемлемы в условиях других производств вследствие различных организационно-технических условий.
Наиболее рациональным методом расчета трудоемкости в этих условиях является использование обобщенного показателя конструктивно-технологической сложности, связанного корреляционной зависимостью с трудоемкостью и инвариантного к технологии изготовления, что позволит использовать его в различных производственных условиях.
Основой метода расчета трудоемкости (метода оценки сложности) является формализованное описание детали как множества конструктивно-технологических элементов (КТЭ). Сложность каждого элемента выражается мультипликативной зависимостью, учитывающей размерные и технологические параметры, которые влияют на время его обработки.
К достоинствам этого метода необходимо отнести возможность прогнозирования норм времени с варьируемой точностью, зависящей от выбранной степени детализации, и существование методик нормирования корпусных деталей и тел вращения.
Математическую модель, базирующуюся на показателе конструктивно-технологической сложности, можно использовать при различных видах обработки. Это является наиболее важной особенностью метода оценки сложности, так как технологические операции по изготовлению инструментальной оснастки весьма многообразны [1].
Основу формализованного описания конструктивно-технологической сложности составляют: множество В базовых элементов ei
B={e1,e2,...,en};
множество К их конструкторско-технологичес-ких параметров ki —
K={k1,k2,...,kj}.
Элементами множества В являются простейшие КТЭ: плоскость, контур, отверстие, цилиндр, винтовая и фасонные поверхности; элементами множества К — конструкторско-технологические параметры, характеризующие точность и шероховатость поверхности КТЭ.
На основе множеств В и К формируется множество значений конструктивно-технологической сложности базовых КТЭ. Сложность каждого элемента рассматривается как функциональная зависимость от его геометрических (множество В) и конструктор-ско-технологических (множество К) параметров:
CB={cb1,cb2,...,cbn}.
Производные КТЭ создаются путем изменения геометрического положения или формы образующего профиля либо комбинацией нескольких базовых элементов. Полученные таким образом элементы составляют множество производных КТЭ:
G={e'1,e'2,...,e'n},
при этом
Многообразие методов, применяемых в инструментальном производстве для формообразования аналогичных по форме конструктивных элементов, требует использования некоторого показателя, учитывающего влияние конкретного метода обработки КТЭ на его сложность. Такой показатель может быть сформирован на основе множества разрешенных методов обработки для данного КТЭ:
PM={pm1,pm2,...,pmn},
Множество РМ формируется пересечением множества технологий М и бинарного множества М', определяющего перечень разрешенных для данного КТЭ технологических операций
при этом
Q=F{pmi),
где Q — показатель, учитывающий влияние конкретного метода обработки на сложность КТЭ, а pmi Є РМ .
Следует отметить, что РМ — непустое множество, поскольку любой порожденный КТЭ может быть обработан хотя бы с помощью одного известного технологического метода.
Конструктивно-технологическая сложность CGt любого производного КТЭ определяется как функциональная зависимость, учитывающая общие конструкторско-технологические параметры и один из возможных методов обработки элемента:
CGi=F{ei,Q),
Наиболее перспективным для создания информационной модели объекта проектирования на основе метода оценки сложности в настоящее время можно считать методологию объектно-ориентированного анализа и проектирования сложных систем и ее реализацию в виде унифицированного языка моделирования UML. Язык обеспечивает моделирование широкого класса систем с использованием объектно-ориентированных понятий, масштабируемость моделей и поддержку разработки специальными инструментальными средствами, реализованными на различных компьютерных платформах [2].
Наиболее полно описать иерархическую структуру изделия в терминах UML можно, используя отношение агрегации. Оно имеет место между двумя классами в том случае, если один из классов представляет собой сущность, включающую в себя в качестве составных частей другие сущности. Данное отношение имеет важное значение для моделирования сложных систем, поскольку позволяет описать взаимосвязи вида "часть — целое".
Отправной точкой в создании информационной модели объекта проектирования в инструментальном производстве может служить диаграмма абстрактных классов "изделие" (рис. 2).
Рис. 2. Дианрамма абстрактного класса "изделие"
Вершиной иерархии является класс "изделие", связанный отношением агрегации с классами "узел"и "деталь". Кратность "1, ...,n" классов "узел" и "деталь" означает, что изделие может состоять из произвольного числа узлов и деталей. Кратность "1" класса "изделие" показывает, что все узлы и детали принадлежат одному и тому же изделию.
Класс "узел" в свою очередь связан отношениями агрегации с классом "деталь" и с самим собой. Последнее отношение обеспечивает описание узлов более высоких порядков.
Приведенная система абстрактных классов обеспечивает описание машиностроительного изделия любой сложности. При использовании отношения агрегации классы, описывающие детали и узлы, могут не наследовать свойства и поведение класса "изделие", поскольку являются самостоятельными сущностями.
Следующий шаг в разработке диаграммы абстрактных классов — уточнение класса "деталь" (рис. 3). Этот класс связан отношением бинарной ассоциации с классом "базовый КТЭ". Кратность "1, ..., п" класса "базовый КТЭ" означает, что любая деталь рассматривается как множество КТЭ. Класс "базовый КТЭ", связанный отношением бинарной ассоциации с самим собой, обеспечивает описание комплексных КТЭ, состоящих из одного или более базового КТЭ. Класс "базовый КТЭ" связан также с классом "метод обработки", что позволяет определить для КТЭ различные варианты его обработки.
Рис. 3. Дианрамма абстрактного класса "деталь"
Описание элементов модели на более низкой ступени иерархии подразумевает построение отношений обобщения между абстрактными классами "базовый КТЭ" и "метод обработки" с их более частными вариантами.
Часть иерархии классов, порожденных от абстрактного класса "базовый КТЭ", приведена на рис. 4. Порожденные классы обладают всеми свойствами порождающего класса, а также имеют дополнительные свойства и поведение, отсутствующие у класса "предок". Например, в приведенной иерархии порождающий класс "базовый КТЭ" имеет такие свойства, как "число единиц сложности", "квалитет", "шероховатость", присутствующие и у порожденных классов. В то же время эти классы, например "плоскость", имеют свойства,описывающие их геометрические параметры, отсутствующие у класса "предок".
Рис. 4. Иерархия классов, порожденных от класса "базовый КТЭ"
Дальнейшим развитием иерархии является более детальная проработка классов с подробным описанием их атрибутов (свойств) и операций (методов). Пример уточненного класса "плоскость открытая" приведен на рис. 5.
Плоскость открытия
+ Число единиц сложности : float
+ Ra : float
+ JT : integer
+ Длина : float
+ Ширина : float
+ Kтех : float
+ Kp : float
+ KT: float
- Определить Kтех()
- Определить Kp()
- Определить KT()
Рис. 5. Класс "плоскость открытая"
Кроме атрибутов (свойств), присутствующих в порождающем классе ("число единиц сложности", "квалитет", "шероховатость"), имеются атрибуты "длина", "ширина" '%ех", "Кр", '%", а также операции над этими атрибутами, имеющие квантор видимости "-", использующийся для обозначения закрытых (private) секций.
Таким образом, объектно-ориентированная иерархия порождающих (базовых) КТЭ позволяет разработать модель взаимодействия экземпляров классов, т.е. обеспечить представление модели машиностроительной детали в виде упорядоченного множества порожденных КТЭ и возникающих между ними отношений.
Классы создают таким образом, чтобы определить единый характер реакции элементов на внешние воздействия (изменение субстантных или конструкторско-технологических свойств экземпляров подклассов). Реализация подклассов для абстрактного класса "базовый КТЭ", соответствующего порождающему КТЭ, подразумевает определение новых свойств и переопределение некоторых методов абстрактного класса (проявление полиморфизма).
На основе рассмотренной информационной модели изделия была разработана автоматизированная система нормирования, предназначенная для расчета прогнозной трудоемкости изделий инструментального производства.
Система состоит из следующих функциональных компонентов (рис. 6): классификатора; менеджера изделий; мастера формирования модели изделия; мастера формирования множества КТЭ; модуля отчетов; интерпретатора; модуля запросов; модуля администрирования.
Рис. 6. Структура автоматизированной системы и назначение основных функциональных элементов
В системе используется реляционная база данных, предназначенная для хранения выполненных проектов (параметрических моделей изделий), множества типовых КТЭ и правил расчета сложности, а также ряда классификационных признаков, обеспечивающих отбор и сортировку проектов по ряду условий. Взаимодействие базы данных и приложения автоматизированной системы реализуется модулем запросов, что обеспечивает независимость основных программных модулей приложения от формата и размещения файлов базы данных. Это позволяет по желанию пользователя конфигурировать систему для работы в режиме клиент — сервер.
Компонент "Классификатор " реализует начальный отбор проектов по их принадлежности к различным структурным подразделениям предприятия; поддерживает иерархию с неограниченным количеством вложенностей. Информация о подразделениях хранится в базе данных и формируется на этапе адаптации системы к условиям конкретного предприятия (рис. 7).
Рис. 7. Пример построения классификатора
Компонент "Менеджер изделий" предназначен для реализации интерфейса между пользователем системы и информацией о проектах, хранимой в базе данных. Взаимодействие осуществляется с помощью экранной формы "Портфель заказов" (рис. 8). Форма имеет вкладки "Изделия" и "Поверхности", используемые соответственно для управления списком проектов и множеством КТЭ, ассоциированных с текущим изделием.
Рис. 8. Пользовательский интерфейс автоматизированной системы
Каждый элемент списка выполненных проектов на вкладке "Изделия" включает в себя наименование нормируемого изделия, его шифр, номер заказа, количество изготовляемых единиц оснастки, штучное плановое и фактическое время выполнения заказа. Вкладка содержит также текстовые и пиктографические кнопки, позволяющие добавлять, удалять или модифицировать элементы списка.
Множество КТЭ, определяемое индивидуально для каждого проекта с помощью вкладки "Поверхности", представлено в виде списка, каждый элемент которого включает в себя наименование, значение конструктивно-технологической сложности и эскиз КТЭ.
Компоненты "Мастер формирования модели изделия" и "Мастер формирования множества КТЭ" используются соответственно для создания или изменения свойств отдельных проектов и параметров КТЭ. Процесс изменения параметров элемента проходит поэтапно. На каждом этапе система предлагает ввести пользователю необходимую информацию о создаваемом элементе, сопровождая диалог интерактивными подсказками.
Компонент "Интерпретатор" обеспечивает трансляцию и исполнение правил определения сложности элементов и трудоемкости изготовления изделий. Грамматика языка практически полностью соответствует грамматике языка программирования Pascal: поддерживаются простые и структурированные типы данных, включая массивы и записи, разрешено определение процедур и функций пользователя с передачей параметров по ссылке и по значению, возможно создание модулей.
Физически правила расположены в базе данных, что обеспечивает открытость системы: пользователь, владеющий навыками программирования на языках высокого уровня, имеет возможность самостоятельно модифицировать правила с помощью компонента "Модуль администрирования", адаптируя систему к требованиям конкретного производства.
Компонент "Модуль отчетов " используется для распечатки результатов нормирования. Генератор отчетов встроен в систему; при необходимости пользователь может изменять существующие или создавать собственные формы отчетности.
Рассмотренная система создавалась с учетом требований и пожеланий ее конечных пользователей — специалистов отделов нормирования, что позволило создать удобный интерфейс, обеспечивающий эффективное использование системы. В настоящее время система прошла этап опытной эксплуатации и применяется для определения плановой трудоемкости изделий инструментального производства на ряде предприятий отрасли.
Список литературы
- Леоненков А. В. Самоучитель UML. СПб.: БХВ- Петербург, 2001.
- Шарин Ю.С., Якимович Б.А., Толмачев В.Г. Теория сложности. Ижевск: Издательство ИжГТУ, 1999.
А.Н. Домбрачев, А.И. Коршунов, Б.А. Якимович
Справочник. Инженерный журнал. №10, 2004, с. 3-9
