РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЗМА ДВИЖЕНИЯ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА

Поршневой компрессор относится к классу сложных систем. Общая численность конструктивных элементов (КЭ) и технологических элементов (ТЭ) может составлять 104-106 единиц. В условиях обострения конкуренции на рынке, когда предприятие вынуждено реагировать на требования заказчика в максимально короткие сроки и при этом сохранять высокий уровень качества продукции, выполнять проектирование старыми методами, без использования новейших информационных технологий, интеллектуальных САПР и СУБД невозможно.

В век широкого распространения ИТ можно считать, что сложившаяся годами система проектирования новых изделий, когда конструктор работал отдельно от специалиста по анализу, а тот, в свою очередь, практически не взаимодействовал с разработчиком технологического процесса или составителем программ для станков с ЧПУ совершенно устарела. Время требует наличия специалистов универсального профиля, которые будут сочетать в себе квалификацию и конструктора, и технолога, и разработчика программы для станка с ЧПУ одновременно. Основным инструментом таких специалистов будут новые инструменты проектирования – конструкторские и/или технологические САПР, программы анализа и системы подготовки производства. Кроме того, современная схема требует параллелизма в разработке, данные для анализа (прочностной, динамический, термодинамический расчеты и др.) должны передаваться аналитику непосредственно в процессе разработки. После проведения требуемых расчетов конструктору должны возвращаться рекомендации по изменению изделия. И одновременно с этим должен разрабатываться технологический процесс или составляться программы для станков с ЧПУ. Процесс может неоднократно повторяться и носить итерационный характер.

Без наличия на машиностроительном предприятии современных информационных технологий проектирования и информационных систем управления предприятием невозможно осуществить проектирование и производство продукции мирового уровня. Формула успеха в рамках своей деятельности современного машиностроительного предприятия “высокая технология проектирования и подготовки производства + высокая технология обработки”. Только следуя этой формуле, предприятие способно выпускать высококачественную, наукоемкую, конкурентоспособную продукцию.

В идеале в процессе проектирования и производства сложных и многокомпонентных изделий все участвующие в проектировании должны, работая одновременно и совместно, создавать на компьютерах электронные модели деталей, узлов, агрегатов, систем и всего изделия в целом. При этом необходимо одновременно решать задачи концептуального проектирования, всевозможных видов инженерного анализа, моделирования ситуаций, а также компоновки изделия и формирования внешних обводов. Не дожидаясь полного окончания разработки нового изделия, информация о нем должна использоваться для технологической подготовки производства и всего производства в целом.

В связи с внедрением параллельного проектирования в конструкторско-технологическую подготовку производства стремительно растет объем сборок, который может включать в себя уже несколько десятков тысяч деталей, причем некоторые из них могут использоваться в разных изделиях, одновременно проектируемых разными конструкторами. Коллективное проектирование позволяет участникам процесса работать одновременно над различными частями проекта. Каждый пользователь может работать параллельно с другими членами бригады, при этом все участники проекта имеют доступ к одной и той же модели сборки. Изменение компонентов автоматически должно передаваться в подсборки, сборки более высокого уровня и в чертежи.

К тому же в настоящее время актуальным является вопрос поддержки производителем своей продукции на протяжении всего жизненного цикла (ЖЦ) изделия – от замысла и производства до эксплуатации и утилизации. Одним из решений подобных вопросов является внедрение на предприятиях современных информационных технологий и методик в общем и CALS-методологии в частности. Концепция и стандарты CALS определяют набор правил и регламентов, в соответствии с которыми строится взаимодействие субъектов в процессах проектирования, производства, испытаний, эксплуатации, сервиса и т.д. Область действия рассматриваемых стандартов включает также информацию, необходимую для работы организаций заказчика и поставщика, а также для обмена данными между ними.

Во многих странах ускоренное внедрение CALS рассматривается как стратегия выживания предприятия в рыночной среде, позволяющая:

• расширить области деятельности предприятий (рынки сбыта) за счет кооперации с другими предприятиями, обеспечиваемой стандартизацией представления информации на разных стадиях и этапах жизненного цикла;

• повысить привлекательность и конкурентоспособность изделий, спроектированных и произведенных в интегрированной среде с использованием современных компьютерных технологий и имеющих средства информационной поддержки на этапе эксплуатации;

• обеспечить заданное качество продукции в интегрированной системе поддержки ЖЦ путем электронного документирования всех процессов и процедур.

Использование новых информационных технологий неизбежно влечет за собой пересмотр существующих принципов и методов проектирования, поиск новых. Сегодня уже не достаточно получения геометрической или математической моделей проектируемого изделия и набора чертежей. В процессе моделирования необходимо поучать динамические пространственные модели, отражающие полную структуру изделия, его взаимодействие с оборудованием, инструментом и исполнителями на всех этапах жизненного цикла изделия. Создание полной электронной модели изделия - основная задача CALS-технологии.

Сегодня применение CALS-технологий на машиностроительных предприятиях предусматривает, в первую очередь, технологии компьютерного проектирования изделий; улучшение технологической подготовки производства; создание электронных архивов; организация компьютерной поддержки системы эксплуатации. Применение при конструкторско-технологической подготовке компьютерных средств моделирования на базе CALS-технологий позволяет экономить время и материальные ресурсы (например, сокращение сроков производства может составить до сотен раз с одновременной экономией материалов и сырья). [1]

В основу CALS-методологии положены принципы системного проектирования. Системный подход и информационная поддержка производимой продукции на всех этапах жизненного цикла изделия, а также применение методологий, позволяющих не только отслеживать причинно-следственные связи между КЭ, но и применять накопленные ранее знания, порождать и хранить новые, являются основным фактором, определяющим успех проектирования. Согласно этим принципам разработка любой сложной системы должна начинаться со структурно-функционального анализа и моделирования ее в целом и всех ее подсистем в частности. Для этого применяется семейство методологий моделирования IDEF, позволяющее исследовать структуру, параметры и характеристики объектов моделирования. В настоящее время стек методологий IDEF включает ряд частных методологий для моделирования систем, в том числе:

- IDEF0 - методология моделирования используемая для создания функциональной модели, с помощью наглядного графического языка IDEF0 отображающая структуру, процессы и функции системы, в виде набора взаимосвязанных функций (функциональных блоков), а также потоки информации и материальных объектов, преобразуемые этими функциями. Моделирование средствами IDEF0 является первым этапом изучения любой системы;

- IDEF1 - применяется для построения информационной модели, отображающей структуру и содержание информационных потоков внутри системы, необходимых для поддержки функций системы. Позволяет отображать и анализировать их структуру и взаимосвязь;

- IDEF1X (IDEF1 Extended) - методология построения реляционных структур. IDEF1X относится к типу методологий «Сущность-взаимосвязь» и используется для моделирования реляционных баз данных, имеющих отношение к рассматриваемой системе;

- IDEF2 - методология динамического моделирования развития систем, позволяющая создавать динамическую модель меняющихся во времени поведения функций, информации и ресурсов системы;

- IDEF3 - методология моделирования процессов, происходящих в системе, предназначенная для создания сценариев и описания последовательности операций для каждого процесса;

- IDEF4 - методология объектно-ориентированного проектирования и анализа систем. Средства IDEF4 позволяют наглядно отображать структуру объектов и принципы их взаимодействия, позволяя анализировать и оптимизировать сложные объектно-ориентированные системы;

- IDEF5 - методология определения онтологий (словарей) исследования сложных систем. С помощью словаря терминов и правил позволяет описать онтологию системы. В итоге могут быть сформированы достоверные утверждения о состоянии системы в некоторый момент времени, на основе которых делаются выводы о дальнейшем развитии системы и производится её оптимизация.

- IDEF9 - методологии моделирования требований.

Основное требование системного подхода при изучении какого-либо объекта – рассмотрение системы как единого целого, т.е. определенной одним функциональным блоком (черным ящиком) со своими входами и выходами. Контекст модели очерчивает границы моделируемого процесса и описывает его взаимосвязи с внешней средой и другими процессами, определяя модель процесс как часть целого. В контекст IDEFO-модели входит определение единственного субъекта моделирования, его полное, точное и адекватное описание, называемое целью модели, созданное с одной точки зрения на модель. Согласно IDEF0 контекст системы представляется контекстной диаграммой, а диаграммы нижнего уровня описывают детализированные аспекты системы.

Контекстная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК приведена на рис. 1. На рис. 2 представлена структурно-функциональная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК.

В основу методологии IDEF0 положен процесс декомпозиции, основанный на объектно-ориентированном подходе к рассмотрению объекта проектирования как системы взаимосвязанных элементов. Полученная при анализе информация представляется в виде иерархической структуры в графическом виде – диаграммы дерева узлов.

Согласно принципам объектно-ориентированного подхода к процессу проектирования требуется глубокая декомпозиция структуры изделия до уровня КЭ и ТЭ, их идентификации на основе единой системы условных обозначений. Поэтому, автором предлагается к рассмотрению структурная схема механизма движения и уравновешивания поршневого компрессора, как системы (СУПК), в которой выделены основные функциональные, конструкторские и технологические элементы, входящие в его состав.

На наивысшем нулевом уровне (рис. 3) расположен сам СУПК, принятый к рассмотрению как метасистема. В метасистеме выделены три подсистемы первого уровня – это кривошипно-шатунный механизм, цилиндропоршневая группа и механизм уравновешивания. В процессе дальнейшей декомпозиции к рассмотрению принимаются подсистемы первого уровня и т.д., каждая из которых рассматривается как система более низкого уровня (рис.4).

Декомпозиция каждой из подсистем всех уровней позволила создать диаграмму, представляющую собой структурную схему объекта моделирования, в которой указаны основные КЭ и ТЭ, а также их характеристики. Разработанная схема учитывает характерные особенности конструкции и достаточно полно описывает моделируемую систему до уровня КЭ и ТЭ.

На основании проведенного анализа полученной диаграммы были получены следующие результаты.

1. Создан перечень основных технико-экономических характеристик, которые отражают разнообразие возможных вариантов исполнения данного объекта;

2. Определены и разработаны базы данных стандартизованных и унифицированных деталей, необходимые для проектирования СУПК;

3. Разработано описание необходимых базы знаний, содержащих формализованные знания специалистов и опыт НИИ и КБ предприятий;

4. Составлен перечень данных, используемых, как исходные, при выполнении проектировочных и поверочных расчетов;

5. Определен перечень требуемых математических моделей КЭ и ТЭ для разработки САПР СУПК.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004