КОНЦЕПЦИЯ  БЕЗОШИБОЧНОГО  ПРОЕКТИРОВАНИЯ  И  ПРОИЗВОДСТВА  СИСТЕМ  АВТОМАТИЧЕСКОГО  ОТБОРА  И  ДОСТАВКИ  ПРОБ  НА  АНАЛИЗ

Лобоцкий  Юрий  Генрихович,

канд.  техн  .наук,  ведущий  специалист  ООО  «Центр  инженерно-технического  обеспечения»,  РФ,  г.  Москва

E-mail:  lobs@nsi.ru

Хмара  Валерий  Васильевич,

д-р  техн.  наук,  профессор  ФГБОУ  ВПО  Северо-Кавказский  горно-металлургический  институт  (Государственный  технический  университет),  РФ,  Республика  Северная  Осетия

г.  Владикавказ

E-mail:  khmaraval@yandex.ru

CONCEPTION  OF  CORRECT  DESIGN  AND  PRODUCTION  OF  AUTOMATIC  SAMPLING  AND  DELIVERY  OF  SAMPLES  FOR  ANALYSIS’  SYSTEMS

Yuriy  Lobotsky

candidate  of  Science,  leading  expert  of  LLC  “Engineering  support  center”,  Russia  Moscow

Valeriy  Khmara

doctor  of  Science,  professor  of  FSBEI  HVE  North  Caucasian  Mining  and  Smelting  Institute  (State  Technical  University),  Russian  Federation,  the  Republic  of  North  Ossetia  Vladikavkaz

АННОТАЦИЯ

  В  статье,  на  основе  анализа  существующих  методов  исследования,  разработана  концепция  безошибочного  проектирования  и  производства  систем  автоматического  отбора  и  пневматической  доставки  проб  на  анализ  с  использованием  объектных  структурно-атрибутивных  моделей  (ОСАМ).  Предложена  модель,  позволяющая  усовершенствовать  систему  автоматического  проектирования  и  управления  в  автоматизированных  проектных  организациях.

ABSTRACT

In  the  article  on  the  basis  of  existing  research  methods  analysis  a  conception  of  correct  design  and  production  of  automatic  sampling  and  pneumatic  delivery  of  samples  for  analysis’  systems  using  object  structural  and  attributive  models  (OSAM)  has  been  developed.  A  model  allowing  to  improve  automated  design  engineering  and  control  system  in  automated  engineering  companies  has  been  proposed. 

Ключевые  слова:  автоматизация  проектирования;  безошибочное  проектирование;  математические  модели  объектов  проектирования;  инжиниринг  и  реинжиниринг;  жизненный  цикл  системы.

Keywords:  design  automation;  correct  design;  mathematical  objects  of  design  objects;  engineering  and  re-engineering;  system  life  cycle. 

Главной  целью  при  автоматизации  проектирования  автоматических  систем  отбора  и  пневматической  доставки  проб  на  анализ  (АСОПДП)  является  максимальное  освобождение  от  субъективных  ошибок  при  проектировании  и  в  процессе  производства  отдельных  устройств  создаваемой  системы.  В  основе  концепции  безошибочного  проектирования  и  производства  (БОПП)  систем  автоматического  отбора  и  доставки  проб  на  анализ  лежит  создание  комплекса  взаимосвязанных  моделей  высокого  уровня  абстракции,  обладающих  необходимой  семантической  избыточностью,  отражающей  закладываемые  технические  и  технологические  свойства  создаваемого  комплекса  технических  средств  [1,  2].  Эскизно-структурная,  структурно-атрибутивная  и  графо-аналитическая  модели,  создаваемые  в  пространстве  эскизных  координат  в  совокупности  с  формализованными  конструкторскими  и  технологическими  требованиями  и  ограничениями  (КТТО)  образуют  объектные  структурно-атрибутивные  модели  (ОСАМ)  высокого  уровня  абстракции,  которые  на  эскизном  уровне  информационного  представления  разрабатываемого  проекта  включают  в  себя  конструкторские  и  технологические  аспекты  и  позволяют  разработать  методы  и  алгоритмы  для  автоматического  выполнения  алгоритмического  контроля  формирования  исполнительных  координат  на  этапе  генерации  геометрических  моделей  разрабатываемых  технических  средств  (реинжиниринг  прототипной  модели).

Исходная  информация  для  автоматизации  задач  технологического  проектирования  формируется  на  стадии  конструирования  технических  средств  разрабатываемой  системы.  Она  представляет  собой  математическую  модель  объекта  проектирования,  которая  в  соответствии  с  концепцией  БОПП,  отражает  всю  совокупность  аспектов,  необходимых  для  реализации  проектных  и  производственных  операций  рассматриваемого  этапа  жизненного  цикла  создаваемой  системы  автоматического  отбора  и  доставки  проб  на  анализ,  а  именно:

где:  N  —  количество  функциональных  элементов  АСОПДП; 

М  —  количество  уровней  иерархической  декомпозиции  объекта  проектирования; 

L_j  —  мощность  множества  структурных  элементов  j-го  уровня  декомпозиции  объекта; 

Р  —  количество  внешних  структурно-сопряженных  связей  объекта  в  рамках  модели  АСОПДП; 

  —  вектор  геометрических  параметров  i-го  элемента,  включающий  габаритные  размеры,  координаты  характеристических  точек  параметрических  кривых,  задающих  форму  деталей  и  параметры  визуализации  соответственно; 

  —  вектор  структурных  параметров  i-го  элемента,  состоящий  из  функциональных,  конструктивных  и  технологических  параметров  соответственно; 

  —  вектор  связей  k-го  структурного  элемента  i-го  уровня  декомпозиции  с  элементами  других  уровней; 

  —  внутренние  сопряжения  элементов  объекта  проектирования,  относящихся  к  разным  иерархическим  уровням  объекта  и  к  различным  элементам  одного  иерархического  уровня  соответственно; 

f_k  —  внешние  сопряжения  объекта  в  рамках  модели  АСОПДП; 

  —  КТТО,  предъявляемые  к  объекту  проектирования.

Переход  к  высокоуровневым  моделям  разделяет  процесс  проектирования  АСОПДП  на  два  относительно  обособленных  и  параллельно  выполняемых  этапа:  инжиниринг  и  реинжиниринг.  На  этапе  инжиниринга  формируется  модель  прототипа  создаваемой  АСОПДП,  в  которой  учитываются  требования  утвержденного  технического  задания,  данные  о  технологических  возможностях  предприятия  —  изготовителя  оригинальных  узлов,  деталей  и  готовых  изделий  создаваемой  системы,  а  также  методы  реструктуризации  и  контроля,  подключаемые  в  разрабатываемую  проектную  документацию  при  переходе  к  исполнительным  координатам.  Это  позволяет  распространить  необходимый  объем  знаний  производственного  уровня  жизненного  цикла  проектируемой  АСОПДП  на  потребительский  уровень,  закладывая  основы  безошибочности  конструкторского  и  технологического  проектирования  системы.

Основой  безошибочности  проектирования  является  система  КТТО,  интегрированная  с  высокоуровневыми  моделями  этапа  инжиниринга,  которая  формально  представляется  следующей  группой  компонентов:

  ,  (1)

где:  K_g  —  ограничения,  определяемые  геометрией  изделия; 

K_s  —  ограничения,  определяемые  структурой  изделия; 

K_d  —  ограничения,  определяемые  конструкционными  материалами; 

K_f  —  ограничения,  определяемые  элементами  сопряжения; 

K_o  —  ограничения,  определяемые  технологическими  процессами,  условиями  производства  и  используемым  станочным  оборудованием; 

Р  —  предикатные  символы,  определенные  на  элементах  информационного  наполнения  ОСАМ  АСОПДП; 

ѱ  —  функция  формального  отображения,  которая  ставит  в  соответствие  любому  предикатному  символу    определенное  значение  из  множества  числовых  параметров.

Каждый  из  компонентов  системы  КТТО  разделяется  на  две  непересекающиеся  части  ,  где  ,  соответственно,  регламентирующих  и  рекомендуемых  ограничений.  Поскольку  функция  ѱ  задает  отношение  порядка  на  множестве  К,  оно  разделяется  на  N  непересекающихся  подмножеств  по  степени  необходимости  реализации  того  или  иного  ограничения:

.  (2)

Безошибочность  операции  реинжиниринга  достигается  включением  в  ОСАМ  множества  методов  ,  определяющих  набор  проектных  решений  ,  таких,  что  каждое  из  них  задает  точку  модельного  пространства  АСОПДП,  в  котором  удовлетворяются  все  элементы  КТТО,  т.  е.  все  существующие  предикаты  получают  значение  истинности.  Областью  определения  методов  ω  является  совокупность  свободных  переменных    множества  геометрических  и  конструктивно-технологических  параметров.

В  соответствии  с  (2)  набор  проектных  решений  может  быть  представлен  в  виде

Имея  значения  L,  можно  генерировать  следующие  подмножества  проектных  решений  ,  где:  Θ_d  —  допустимое  подмножество,  удовлетворяющее  регламентирующим  КТТО  высокого  уровня,  снятие  действия  которых  нецелесообразно  для  предприятия  на  данном  этапе  его  развития;  Θ_p  —  приемлемое  подмножество,  для  которого  удовлетворяется  максимальное  количество  регламентирующих  ограничений  более  низкого  уровня;  Θ_opt  —  оптимальное  подмножество  с  точки  зрения  соответствия  КТТО,  для  которого  выполняются  рекомендуемые  ограничения.

Система  ограничений,  построенная  в  соответствии  с  соотношением  (1),  нормирует  выполнение  проектных  операций  всего  конструкторско-технологического  цикла  из  жизненного  цикла  создаваемой  системы,  включая  его  прямую  информационную  стыковку  с  производственным  циклом.  Это  предполагает  выделение  следующих  уровней  интеграции:  учет  технологических  аспектов  в  процессе  конструирования;  автоматический  синтез  маршрутных  технологий;  автоматическое  формирование  исходных  данных  для  оптимизации  раскроя  материалов  по  совокупности  геометрических  и  технологических  критериев;  интеграция  задач  конструкторского  и  технологического  проектирования  с  задачами  управления  проектными  работами.

Учет  технологических  аспектов  на  этапе  конструирования  обеспечивает  поступление  на  вход  автоматизированной  системы  технологического  проектирования  моделей  системы  автоматического  отбора  и  пневматической  доставки  проб  на  анализ  в  исполнительных  координатах,  безошибочных  с  точки  зрения  используемых  технологических  процессов.  Для  этого  при  инжиниринге  прототипных  моделей  с  каждым  набором  технологических  параметров  р  ассоциируется  функция  применимости  F(p,B),  которая,  помимо  р,  зависит  от  набора  сопряженных  конструктивных  элементов  В.  Реализация  функций  применимости  осуществляется  в  автоматическом  режиме  на  этапе  реинжиниринга  с  формированием  кода  завершения  операции.  Алгоритмы  вычислений  значений  F(p,B)  и  реакции  на  коды  завершения  операции  варьируются  в  зависимости  от  конкретного  предприятия  и  определяются  на  этапе  инжиниринга. 

Автоматический  синтез  маршрутных  технологий  базируется  на  эскизно-структурном,  графо-аналитическом  и  структурно-атрибутивном  описании  АСОПДП.  Для  этого  в  ходе  инжиниринга  формируется  первичный  структурированный  граф  G_o(A_o,C_o),  множество  вершин  которого  А_о  ассоциировано  с  элементами  декомпозиции  (изделиями)  АСОПДП,  а  множество  дуг  С_о  —  с  характером  отношений  между  ними.  В  соответствии  с  ЕСКД  при  производстве  АСОПДП  используются  следующие  виды  изделий:  покупные  изделия  (D)  —  изделия  не  изготавливаемые  на  данном  предприятии,  а  приобретаемые  в  готовом  виде  без  какой  либо  доработки,  детали  (В)  —  изделия,  изготовленные  из  однородного  по  наименованию  и  марке  материала,  сборочные  единицы  (S)  —  изделия,  составные  части  которых  подлежат  соединению  между  собой  на  предприятии  —  изготовителе  сборочными  операциями  и  характеризующиеся  своим  индивидуальным  функциональным  назначением,  комплекс  изделий  (F)  —  несколько  специфицированных  изделий,  не  соединенных  между  собой  на  предприятии  —  изготовителе  сборочными  операциями,  но  предназначенных  для  выполнения  взаимосвязанных  эксплуатационных  функций.  Для  построения  множества  А_о  используется  система  соподчиненных  уровней,  основанная  на  системе  классификации  АСОПДП  и  её  элементов,  в  которой  каждая  вершина  относится  к  одному  из  четырех  уровней:  комплексы  изделий  (F),  сборочные  единицы  (S),  детали  (В)  и  покупные  изделия  (D):

^;

^;

^{;  Ø}

где:  S  —  множество  сборочных  единиц  в  изделии  F; 

В  —  множество  деталей; 

D^’  —  множество  покупных  изделий,  не  входящих  в  состав  рассматриваемой  сборочной  единицы; 

D  —  множество  покупных  изделий,  входящих  в  состав  рассматриваемой  сборочной  единицы, 

d_i  —  покупное  изделие,  являющееся  элементом  множества  D  или  D^’.

Множество  вершин  графа  G_o  является  полихроматическим,  поскольку  с  каждым  из  указанных  объектов  сопоставляется  формальный  набор  атрибутов.  Для  синтеза  технологических  процессов  существенными  атрибутами  являются  геометрические  характеристики  элемента,  атрибуты  материалов  и  технологические  атрибуты  элементов  сопряжения.

Множество  С_о  формируется  на  основе  выделенных  с  учетом  функционально-структурных  свойств  АСОПДП  типов  отношений  между  элементами:  вложенности,  выравнивания,  пропорциональности,  симметрии,  зеркальности  и  сопряжения.  Для  описания  различных  типов  отношений  между  элементами  АСОПДП  в  графе  G_o  выделяются  подграфы  с  параллельными  ребрами,  каждый  из  которых  имеет  одинаковое  количество  вершин  и  различное  количество  ребер,  отражающих  свойства  ассоциаций,  присущих  данному  подграфу: 

  (3)

где:  N,Q,S,I,M,P  —  множества  отношений  вложенности,  выравнивания,  пропорциональности,  симметрии,  зеркальности  и  сопряжения  между  объектами.

В  ходе  реинжиниринга  при  добавлении  нового  конструктивного  элемента  АСОПДП  его  локальная  система  координат,  с  одной  стороны,  определенным  образом  связывается  с  системой  координат  модели,  а  с  другой  стороны  —  становится  основой  создания  связей  с  последующими  элементами.  Это  означает,  что  полученная  модель  в  исполнительных  координатах  содержит  всю  необходимую  информацию  для  автоматического  синтеза  маршрутной  технологии,  позволяя  реализовать  принципы  параллельного  проектирования  для  сокращения  общего  времени  конструкторско-технологического  этапа  жизненного  цикла  АСОПДП.

Помимо  этого,  комплексный  учет  особенностей  АСОПДП  в  ОСАМ,  реализуя  все  указанные  уровни  интеграции  конструкторско-технологического  цикла,  позволяют  создать  комплексную  САПР  для  АСОПДП,  которая  функционирует  на  единой  информационной  базе  и  общей  логике  управления.

Список  литературы:

1.Вороненко  В.П.  Проектирование  машиностроительного  производства:  учебник  для  вузов  [Текст]  /  В.П.  Вороненко,  Ю.М.  Соломенцев,  А.Г.  Схиртладзе;  под  ред.  чл.-корр.  РАН  Ю.М.  Соломенцева.  2-е  изд.,  стереотип.  М.:Дрофа,  2006.  —  380  с.

2.Норенков  И.П.  Основы  автоматизированного  проектирования  [Текст]:  4-е  изд.  /И.П.  Норенков  М.:  Изд-во  МГТУ  им.  Н.Э.  Баумана,  2009.  —  430  с.