Система принятия решений по выбору технологий послойного синтеза изделий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Смирнов, Олег Игоревич

• Смирнов, Олег Игоревич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Олег Игоревич

ПРИНЯТЫЕ ТЕРМИНЫ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СИСТЕМ ТПС. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Назначение, обзор технологий и общие принципы ТПС.

1.2. Разработка функционально-идеальной модели процессов ТПС.

1.3. Постановка задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ УНИВЕРСАЛЬНОГО МОДУЛЯ ТПС.

2.1. Построение функциональной модели универсального модуля ТПС

2.2. Построение логической модели универсального модуля ТПС.

2.3. Построение имитационной модели универсального модуля ТПС. 51 Выводы по главе 2.

3. МЕТОДИКА ВЫБОРА ТПС МОДУЛЯ.

3.1. Методы решения задачи многокритериального выбора.

3.2. Решение задачи выбора ТПС модуля.

Выводы по главе 3.

4. РАЗРАБОТКА СППР ПО ВЫБОРУ ТПС.

4.1. Требования к СППР по выбору ТПС.

4.2. Алгоритм работы СППР по выбору ТПС.

4.3. Программная реализация имитационной модели универсального технологического модуля.

4.4. Программная реализация web-приложения СППР по выбору ТПС.

Выводы по главе 4.

5. ПРИМЕНЕНИЕ СППР ПРИ ВЫБОРЕ ТПС.

5.1. Система компактного интеллектуального производства на базе ТПС

5.2. Портал В2В для трансфера ТПС.

5.3. Модель трансфера технологий с помощью информационного webпортала ТПС.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система принятия решений по выбору технологий послойного синтеза изделий»

В последнее десятилетие получили развитие технологии послойного синтеза трехмерных объектов (ТПС), которые все чаше находят применение в авиационной промышленности при создании летательных аппаратов (ЛА). В зарубежных публикациях ТПС получили название Rapid Prototyping and Manufacturing (RPM) - «технологий быстрого прототипирования и производства».

Технологические процессы (ТП) ЗБ-послойного синтеза позволяют построить прототип или физическую модель изделия в полном соответствии с исходной ЗР-моделью. Методы ТПС, несмотря на сложность используемых физико-технических эффектов (ФТЭ) и высокую стоимость материалов (фотополимеры, листовые композиционные материалы, мелкодисперсные порошковые композиции и др.), все чаще находят применение на этапе технической подготовки производства (ТПП) при создании объектов новой техники (ОНТ) в авиастроении, машиностроении и приборостроении.

При создании новых изделий, а также при переоснащении автоматизированных технологических комплексов (АТК) для разработки авиационной техники с использованием ТПС инженеры-конструкторы и технологи авиационной промышленности должны принимать решения, которые оказывают существенное влияние на качество, общее время изготовления и стоимость изделий, и в целом - на эффективность выполнения проектов создания новой техники. При этом лица принимающие решения (ЛПР) должны иметь четкое представление о технологических возможностях и параметрах технологических модулей ТПС, которые в конкретной производственной ситуации целесообразно использовать для решения задачи создания новых изделий, начиная с демонстрационных и функциональных прототипов.

В настоящее время на практике ЛПР (конструкторы и технологи авиационной промышленности) принимают решения исходя из своей личной компетентности, руководствуясь собственным опытом и понятиями об эффективности используемых технологических методов и оборудования. В результате реально получаемые физические характеристики новых изделий нередко могут не соответствовать новым технологическим требованиям, что в свою очередь приводит к проектным рискам: потерям финансовым, временным, а иногда и к неоправданному закрытию проектов.

Отсутствие формализованных аналитических методик и информационных систем поддержки принятия решений - СППР не позволяет ЛПР принимать оптимальные решения. Выбор модулей ТПС в конструкторском или технологическом бюро на этапе проектирования, разработки и опытного производства изделий при создании новой авиационной техники в целом является сложной, слабоструктурированной задачей, для решения которой необходимо использовать методы системного анализа и специальное программное обеспечение, реализуемое в виде СППР.

Данная работа направлена на разработку методов и алгоритмов решения задачи системного анализа и оптимизации при принятии решений в процессе выбора ТПС при разработке объектов новой техники. Разработка СППР по выбору модулей ТПС/RPM называемая «виртуальным прототипированием» -DSS VRP1 является актуальной задачей для авиастроения, потому что её решение оказывает необходимую помощь разработчикам в процессе принятия решений при выборе технологий и оборудования - 3D-moдулей ТПС на стадии технической подготовки производства. В тоже время решения, получаемые с помощью СППР, дают возможность обоснованно, на базе достоверной информации, осуществлять выбор ТПС, и влиять на результат выполнения проектов по созданию новых изделий: ускорение производства, повышение

1 DSS VRP - Decision Support System Virtual Rapid Prototyping качества, снижение издержек производства, а также - повышение эффективности работы всего технологического комплекса как системы.

Целью диссертационной работы является исследование методов ТПС; выделение общих алгоритмов построения изделий различными методами ТПС; автоматизация процесса выбора наиболее подходящего метода ТПС в конкретной производственной ситуации на этапе ТПП. Исходя из данной цели, в работе были определены следующие задачи исследования:

- Системный анализ и классификация методов ТПС.

- Разработка имитационной модели универсального технологического модуля ТПС, изменяя параметры которой можно получить имитационную модель любого метода ТПС для проведения вычислительного эксперимента по созданию нового изделия.

- Решение задачи выбора наиболее подходящего технологического модуля ТПС в конкретной производственной ситуации.

- Формирование требований к специальному программному обеспечению СППР по выбору ТПС в конкретной ситуации.

- Разработка модульной архитектуры СППР по выбору ТПС в конкретной ситуации.

- Разработка программного обеспечения СППР в виде 8аа82-приложения, позволяющего сделать обоснованный выбор модулей ТПС для реальной производственной ситуации с учетом конструкторских, технологических и эксплуатационных требований к изготавливаемым изделиям. Исследование и разработка проводились на основе методов системного анализа и проектирования, концептуального и функционального моделирования, логического и имитационного моделирования, методов

2 SaaS - Software as a Service многокритериальной оптимизации, методов целевого программирования, теории реляционных баз данных, технологий модульного и объектно-ориентированного программирования, технологий создания трехзвенной архитектуры программного обеспечения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- Предложена концептуальная модель универсального технологического модуля ТПС, позволяющая построить модель любого из модулей ТПС.

- Создана имитационная модель универсального технологического модуля ТПС, позволяющая заменить высоко затратный натурный эксперимент по ТПС на вычислительный эксперимент.

- Разработан алгоритм классификации исходной информации позволяющий сгруппировать по определенным признакам модули ТПС.

- Предложен способ решения задачи выбора наилучшего технологического модуля ТПС в конкретной производственной ситуации.

- Предложены алгоритмы и программное обеспечение для автоматизации процесса выбора наиболее подходящего модуля в конкретной ситуации на этапе ТПП.

Полученные результаты позволяют использовать разработанную систему поддержки принятия решений в процессе разработки новых изделий авиационной промышленности при выборе наилучшего модуля ТПС в конкретной ситуации для решения конструкторских, технологических и производственных задач, что позволяет снизить временные и материальные затраты при разработке новых изделий. Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты системного анализа технологий послойного синтеза.

2. Многоуровневая имитационная модель реагирующей дискретно-событийной системы в виде универсального модуля ТПС (ИМ ТПС) позволяющая заменить высоко затратный натурный эксперимент по ТПС на вычислительный эксперимент.

3. Методика выбора наиболее подходящего технологического модуля ТПС для решения конкретной задачи на основе требований сформулированных ЛПР.

4. Алгоритмы и программно обеспечение системы поддержки принятия решений, позволяющие автоматизировать и упростить выбор метода ТПС в конкретной ситуации на этапе ТПП, в виде ЗааЭ-приложения включающего в свой состав: классификатор понятий предметной области; имитационную модель универсального технологического модуля; модуль формирования и выдачи результатов решения задачи поиска наиболее подходящего модуля ТПС.

Реализованный в рамках данного исследования '^уеЬ-сервис СППР прошел лабораторные испытания и используется в тестовом режиме, а также в учебном процессе МАИ.

Личный вклад автора состоит в разработке:

- гибридных моделей универсального ЗБ-модуля ТПС на основании анализа технологических процессов и оборудования ТПС;

- комплекса СПО, реализующего имитационную модель универсального технологического модуля для проведения вычислительных экспериментов;

- методики выбора наиболее подходящего технологического модуля ТПС при решении конкретной задачи;

- классификатора объектов предметной области ТПС;

- web-cepвиca СППР.

Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих научных конференциях (в том числе международных):

- Международная научно-техническая конференция "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM-2011)" - Москва, ИПУ РАН, 2011г.;

- "Новые информационные технологии и системы" электронная конференция Российской Академии Естествознания. - Спб., 2010. URL: www.rae.ru/snt/?section=content&op=showarticle&articleid=6131 (дата обращения: 16.10.2011);

- Международная научно-техническая конференция "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM-2009)" - Москва, ИПУ РАН, 2009г.;

- Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Технологии Microsoft в теории и практике программирования VI" -Москва, МАИ, 2009г.;

- Всероссийская научно-техническая конференция "Студенческая весна 2009: Машиностроительные технологии" - Москва, МГТУ им. Баумана Н.Э., 2009г.;

- Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Технологии Microsoft в теории и практике программирования V" -Москва, МАИ, 2008г.;

- Всероссийская научно-техническая конференция "Студенческая весна 2008: машиностроительные технологии" - Москва, МАИ, 2008г.;

- IX Всероссийский симпозиум "Стратегическое планирование и развитие предприятий " - Москва, ЦЭМИ РАН, 2008г.;

- Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Технологии Microsoft в теории и практике программирования IV" -Москва, МАИ, 2007г.;

- Международная научно-техническая конференция "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM-2004)" - Москва, ИЛУ РАН, 2004г.;

- Всероссийская научно-техническая конференция "Технологии электронного бизнеса на службе промышленных предприятий и организаций" - Москва, ВИМИ, 2003г.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Смирнов, Олег Игоревич

Выводы по главе 5

Разработана концептуальная модель система КИПр, которая используется в виде узлов компьютерной сети, обеспечивающей управление знаниями, а так же доступ к базам данных, архивам типовых конструкторских и технологических решений, что повышает оперативность выполнения сложных проектов. Данная система является наиболее эффективной благодаря минимизации материальных меж узловых связей за счет налаженного, быстрого и эффективного взаимодействия между узлами системы. Технологический процесс послойного синтеза является основным новшеством системы КИПр по сравнению с уже существующими и применяемыми технологиями, и был детально изучен и описан в рамках системы КИПр в данном исследовании.

Представлен информационный портал для обеспечения трансфера технологий ТПС/ЯРМ при выполнении проектов создания ОНТ на промышленных предприятиях отрасли. В рамках информационного луеЬ-портала разработанное СПО планируется использовать как распространяемое программное обеспечение, предоставляемое пользователям информационного портала, которые планируют использование ТПС для изготовления новой техники, что упростит выбор необходимой ТПС подходящей для применения в конкретной ситуации и сократит издержки за счет не рационального использования ТПС.

Предложена модель трансфера ТПС которая значительно снижает расход на изготовление новых изделий за счет аутсорсинга ТПС технологий конечным производителем посредством сервис бюро и предприятий способных предоставить данные услуги заказчику. Конечный производитель (заказчик) в схеме трансфера может воспользоваться услугами ТПС не имея при этом дорогостоящего оборудования и обслуживающего персонала. В рамках предложенной модели трансфера ТПС разработанную СППР планируется использовать производителями товаров и услуг Е и Н (рис. 5.8), что упростит им выбор необходимой ТПС и сократит затраты на услуги специалистов ТПС по консультированию изделий, применению и выбору необходимой ТПС.

Заключение и общие выводы

В результате выполненного исследования удалось показать, как с помощью гибридного комплекса моделей ТПС/КРМ процессов послойного синтеза изделий авиационной техники система компактного интеллектуального производства КИПр становится катализатором научно-технического прогресса для разрабатывающих предприятий, создающих новую технику.

Разработана модель дискретно-событийной системы универсального модуля ТПС, построенная на основе анализа технологических методов послойного синтеза изделий.

Разработан классификатор предметной области ТПС, позволяющий сгруппировать методы ТПС и построить исходные данные для работы имитационной модели.

Разработана методика выбора наиболее подходящего технологического модуля ТПС для решения производственной задачи в соответствии с условиями, которые определяет ЛПР.

Разработана система поддержки принятия решений в виде БааБ-приложения для решения задачи выбора модулей ТПС в конкретной производственной ситуации с учетом конструкторских, технологических и эксплуатационных требований к изготавливаемым изделиям. 8аа8-приложение включает в свой состав: классификатор понятий предметной области; имитационную модель универсального технологического модуля; модуль выдачи результатов моделирования.

Представлен информационный портал для обеспечения трансфера технологий ТПС/ЯРМ при выполнении проектов создания ОНТ на промышленных предприятиях отрасли.

Разработанная методика и специальное программное обеспечение СППР ВП позволяют: выбрать ТПС - метод и оборудование в конкретной техникоэкономической ситуации; оценить время выполнения задания на построение прототипов изделия; оценить объем необходимого материала для построения изделия; оценить стоимость производства изделия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнов, Олег Игоревич, 2012 год

1. Бек К. Экстремальное программирование. СПб.: ЗАО «Питер», 2002.

2. Беляев В.И., Стефанцов Е.Е. Новейшие технологии и оборудование для производства малых серий изделий из металлов и пластмасс. Литейное производство, 1999. №7. -С.38-41.

3. Братухин А.Г., Сироткин О.С. Современные технологии. М.: Машиностроение, 1999.

4. Братухин А.Г., Митрофанов С.П., Сироткин О.С. и др. Технология и организация группового машиностроительного производства: В 2-х ч. Ч. 1: Основы технологической подготовки группового производства. М.: Машиностроение, 1992.

5. Волкова В.Н., Денисов A.A. Основы теории систем и системного анализа. — СПб.: СПбГТУ, 1997.

6. Волковой В.Н., Козлова В.Н. Системный анализ и принятие решений: Словарь-справочник: Учеб. пособие для вузов. Под ред. Высшая школа (Москва), 2004 г.

7. Виноградов В.М., Скородумов C.B., Стефанцов Е.Е. Методы быстрого прототипирования и изготовления мастер-моделей формообразующих элементов оснастки из ПКМ. Учебно-методическое пособие. - М., НИИТавтопром, 1999. - 26 с.

8. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. Москва: «Наука», 1988.

9. Ю.Горюшкин В.И. Основы гибкого производства деталей машин и приборов. -Мн.: Наука и техника, 1984. 222с.

10. П.Горюшкин В.И., Свирский Д.Н., Скородумов С. В, и др. Исследование прогрессивных технологических процессов изготовления аэродинамических моделей JIA из композиционных материалов на базе новых физических принципов. Научно-техн. отчет. - М.: ЦАГИ, 1988.

11. Евсеев A.B. Оценка времени изготовления деталей на установках лазерной стереолитографии / Докл. на науч.-практ. симп. "Современные технологии быстрого прототипирования и производства", ОАО "НИИТавтопром", Москва, 1998.

12. Евсеев A.B., Камаев С.В., Якунин В.П. Изготовление физических моделей методом стереолитографии II Автоматизация проектирования, 1999. №2.

13. А.Инженерный консалтинг SOLVER II URL: http://www.solver.ru (дата обращения: 26.02.2012).

14. Исаев B.K. Геометрические основы построения автоматизированной системы изготовления аэродинамических моделей. Докт. диссертация. ЦАГИ-МАИ, 1991г.

15. Карпов Ю.Г. Имитационное моделирование систем. Введение в имитационное моделирование с AnyLogic 5. СПБ.: БХВ-Петербург, 2006.

16. Кувшинов В.В., Рыцев С.Б., Филиппов Е.И. Компактное интеллектуальное производство деталей на базе скоростной технологии контурного послойного синтеза. Информационные технологии в проектировании и производстве, 2003, №3.

17. Кунву Ли Основы САПР (CAD/CAm/CAE). СПб.: Питер, 2004.

18. Лоу К., Мадхар Д., Огастин Л., Полис Г. Разработка программных проектов: на основе Rational Unified Prosecc (RUP). M.: ООО "Бином-Пресс", 2009.

19. Люгер Дж. Искусственный интеллект: стратегии и методы решения сложных проблем (4-е издание). — М.: Издательский дом «Вильяме», 2003.

20. Мак-Дональд Мэтью Silverlight 3 с примерами на С# для профессионало. : Пер. с англ. М. : ООО "И.Д. Вильяме", 2010.

21. Маклаков C.B. Создание информационных систем с AllFusion Modelling Suite. M.: Диалог МИФИ, 2007.

22. Малюта А.Н. Гиперкомплексные динамические системы. Киев: Наукова думка, 1986.

23. Малюта А. Н. Разомкнутые гиперкомплексные динамические системы, -Львов. 1984.

24. Марка Дэвид А., МакГоуэн Клемент Методология структурного анализа и проектирования. Пер. с англ. - М.: 1993.

25. Минский М. Фреймы для представления знаний, 1979.

26. Ногин В.Д. Принятие решений при многих критериях. — СПБ. Издательство «ЮТАС», 2007.51-101.

27. Нонака И., Такеучи X. Компания создатель знания. Зарождение и развитие инноваций в японских фирмах. - М.: ЗАО «Олимп-Бизнес», 2003.

28. Описание ТПС UM II URL: http://www.optomec.com/Additive-Manufacturing-Technology/Laser-Additive-Manufacturing (дата обращения: 26.02.2012).

29. Описание ТПС LENS II URL: http://www.sandia.gov/mst/pdf/LENS.pdf (дата обращения: 26.02.2012).

30. Орлов C.A., Технологии разработки программного обеспечения. Учебное пособие. 2-е изд. - СПБ.: ЗАО «Питер», 2003.

31. Производитель установок ТПС 3DP II URL: http://www.zcorp.com (дата обращения: 26.02.2012).

32. ЪА.Производитель установок ТПС FDM II URL: http://www.stratasys.com (дата обращения: 26.02.2012).35 .Производитель установок ТПС IJM II URL: http ://www. obi et. com (дата обращения: 26.02.2012).

33. Ъв.Производитель установок ТПС LENS II URL: http://www.optomec.com (дата обращения: 26.02.2012).

34. Производитель установок ТПС MF II URL: http://www.dme.net (дата обращения: 26.02.2012).

35. Производитель установок ТПС SLA II URL: http://www.3dsystems.com (дата обращения: 26.02.2012).

36. Производитель установок ТПС SLS II UPL: http://www.eos.info (дата обращения: 26.02.2012).

37. Рамбо Д., Якобсон А., Буч Г. UML специальный справочник. -СПб.: Питер, 2002.

38. Рыцев С.Б. Автоматизация проектирования и производства с использованием технологий быстрого прототипирования. Журнал «Авиационная промышленность» № 10, 2000 г. С. 90-93.

39. Свирский Д.H. Технологическое обеспечение компактной производственной системы для послойного синтеза деталей из фотополимеров. Канд. дисс. — М., МАИ, 1993.- 195 с.

40. Свирский Д.Н. Компактные производственные системы как фактор ресурсосбережения. Литейное производство № 7. 1999. С. 25-21.

41. Смирнов О.И., Лушников A.B. Построение модели универсального технологического модуля для послойного синтеза изделий сложной формы. ВЕСТНИК МАРТИТ Москва, 2006. С. 42-48.

42. Смирнов О.И., Скородумов C.B. Моделирование технологии послойного синтеза при разработке изделий сложной формы. Современные наукоемкие технологии №4, 2010. С. 83-87. URL: http://econf.rae.ru/article/4971 (дата обращения: 26.02.2012).

43. Смирнов О.И. Имитационное моделирование технологий послойного синтеза в машиностроении. Труды МАИ 2010, выпуск 37, 22 с.

44. Смирнов О.И., Скородумов B.C., Федчин М.В. Информационный портал для коммерциализации систем компактного интеллектуального производства. Технологии Microsoft в теории и практике программирования: труды IV

45. Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Центральный регион. М.: Вузовская книга, 2007. С. 174-175.

46. Скородумов C.B. Создание и развитие систем компактного интеллектуального производства. Литейное производство № 7. 1999. С. 28-30.

47. Трахтенгерц Э.А. Компьютерные технологии коррекции целей, стратегических решений и оперативных воздействий в динамике управления Управление большими системами. 2008 г. Вып. 23. С. 81-110.

48. Трахтенгерц Э.А. Компьютерные методы реализации экономических и информационных управленческих решений. В 2-х томах. М.: СИНТЕГ.2009.

49. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений М. СИНТЕГ. 1998

50. Чернорутский И.Г. Методы оптимизации в теории принятия решения. -СПБ.: ЗАО «Питер», 2004. 46-70.

51. Шатихин Л.Г. Структурные матрицы и их применение для исследования систем. -М.: Машиностроение, 1974.

52. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука. 1978.64 .Apparatus and method for creating three-dimensional objects. Assignee Stratasys Inc. United States Pat. № 5121329. US CI. 364/468.26, 09.06.1992.

53. Apparatus for forming an integral object from laminations. Assignee Helysis Inc. United States Pat. № 5637175. US CI. 156/264, 10.06.1997.

54. Beck, K. Extreme Programming Explained. Embrace Change. Addison-Wesley, 1999.

55. Boem, B.W. A spiral model of software development and enhancement. IEEE Compute, 21 (5), 1988, pp. 61-72.

56. Deckard, R. Method and apparatus for producing parts by selective sintering. -U.S. Patent #4,863,538 Issue Date: Sep 5, 1989.

57. Jacobs, P.F. Rapid Prototyping & Manufacturing: fundamentals of stereolithography. 1992.

58. Jacobs P.F. Stereolithography and other RP&M Technologies. From Rapid Prototyping to Rapid Tooling. New York: ASME Press, 1996 - 392 p.

59. Harel, D. Statecharts: a Visual Formalism for Complex Systems. Sci. Comput. Prog. 8, p.231-274, 1987.

60. Herbert, A.J. Solid object generation. 1982.

61. Hull, Charles W. Method for production of three-dimensional objects by stereolithography. U.S. Patent #4,929,402 Issue Date: May 29, 1990.

62. Hull, Charles W. Method and apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. Assignee 3D Systems Inc. United States patent № 5554336. US CI. 264/401, 10.09.1996. -p.13-20.

63. Kodama, H. Automatic method for fabricating a three-dimension plastic model with photo-hardening polymer. 1981.

64. Kunieda, M. and Nakagawa, T. Development of laminated drawing dies plates. 1984.

65. Method and apparatus for producing a three-dimensional object. Assignee EOS GmbH. United States Pat. № 5460758. US CI. 264/401, 24.10.1995.

66. Pnueli, A. Specification and Development of Reactive Systems. In H.-J. Kugler, editor, Information Processing 86, pages 845-858. IFIP, North-Holland, 1986.

67. Rapid Prototyping Tooling /Reduce mould costs with the MCP/TAFA Metal Spray System. MCP HEK-GmbH, 1995.

68. SO.Three dimensional modeling apparatus. Assignee Cubital Ltd. United States patent Pat. № 5263130. US CI. 345/418, 11.16.1993.