Расчёт показателей технологичности изделий на основе автоматизации процедур анализа технологического дерева проекта

Н.Ю. Каратаева,

Д.С. Воронцов,

А.Н. Петрина

ФГУП «НИЧ «МАТИ», г. Москва

Совокупность свойств изделия, определяющих приспособленность его конструкции к достижению оптимальных затрат ресурсов при производстве и эксплуатации для заданных показателей качества, объема выпуска и условия выполнения работ представляет собой технологичность конструкции изделия (ТКИ) [1]. В руководстве по технологичности самолетных конструкций [2], а также в ряде других источников [3,4] определяется, что ТКИ должна закладываться в ходе технологического проектирования, обеспечивающего органическую связь конструкции с технологией и организацией производства.Технологичность – важнейшая характеристика совершенства изделия, в значительной мере определяющая уровень его технико-экономических показателей. Повышение ТКИ позволяет существенно снизить материально-трудовые затраты при производстве, эксплуатации и ремонте изделия и поэтому является одной из важнейших задач, решаемых в процессе его создания [4].

Различают качественную и количественную оценку ТКИ. Качественная оценка заключается в выработке решений «технологично» - «нетехнологично», количественная – в расчете показателей технологичности и их сравнении с базовыми показателями. Состав показателей технологичности, формулы и нормативно-справочные данные для их расчета, полученные по результатам обработки статистических материалов 70-80-х годов, в настоящее время нуждается в доработке и уточнении.

рис.1. Схема формирования и оптимизации конструктивно-технологических и организационно-технических решений производства изделий АТ

Переход на цифровые технологии проектирования и производства повышает эффективность качественной оценки ТКИ. 3d макеты моделей конструкции используются для выполнения качественной оценки технологичности – решаются задачи по анализу конструкции самого изделия, анализу рабочих зон сборки с точки зрения подхода оборудования и инструмента, условий труда, возможности автоматизации и механизации работ. Системы геометрического моделирования позволяют формализовать описания процедур по выявлению нетехнологичных мест сборочных единиц, однако реализация такого подхода требует дополнительных исследований и создания специализированных приложений.

Современный подход к организации конструкторско-технологического проектирования в условиях электронного определения изделия заключается в необходимости параллельной разработки конструкции, технологии и производственной системы[5] (рис.1).

При этом должны обеспечиваться [6]:

· организация процесса технологического проектирования на различных стадиях проекта (технического предложения, эскизного проектирования, рабочего проектирования);

· повышение точности оценки достоверности и объективности выбора КТР по мере накопления и уточнения информации на каждом последующем этапе проектирования;

· использование электронной конструкторской модели изделия в качестве исходных данных для проектирования технологических процессов и средств технологического оснащения;

· формирование технологических электронных моделей изделий и их использование для моделирования и визуализации технологических процессов;

· поддержка методологии многоуровневого вариантного проектирования с учетом конфигурации изделия, технологической системы и схем организации производства.

В соответствии со схемой (рис.1) выбор оптимальных конструктивно–технологических решений осуществляется на основе расчёта и анализа показателей технологичности на разных этапах реализации проекта:

· при разработке концептуальных КТР и ОТР (этап II) оценка показателей технологичности (себестоимости и трудоёмкости изготовления изделий, трудоемкости и себестоимости технологической оснастки, производственных циклов) осуществляется по экономико-математическим моделям, разработанным отраслевым институтом (НИАТ);

· при проектировании и электронном моделировании конструкции, технологии и производственной системы (этап III) - на основе нормирования затрат на компоненты КТР;

· при построении «кривых освоения» (снижение трудоемкости и себестоимости изделия в зависимости от серийного номера машины) (этап IV) - на основе расчета ТЭП производственных конфигураций;

· при интегральной отработке процессов производства (этап V) - на основе методов имитационного моделирования.

В рыночных условиях при реализации концепции проектирования под заданную стоимость в качестве основного показателя технологичности принимается технологическая себестоимость изделия (С_ТС). Другие показатели технологичности (например, для сборочных единиц: коэффициенты панелирования, прессовой клепки, автоматизированной постановки болтов и т.д.) должны рассматриваться как дополнительные, указывающие на резервы снижения технологической себестоимости.

Несмотря на то, что оценка затрат, входящих в технологическую себестоимость, в различных работах несколько отличается, можно принять, что ее основными составляющими являются:

· С_М – расходы на материалы;

· С_З – расходы на заработную плату основных производственных рабочих;

· С_СТО – затраты на проектирование, изготовление и монтаж средств технологического оснащения (оборудование,

· приспособления, инструмент, средства автоматизации);

· С_ЭПС – расходы на эксплуатацию производственной системы.

Проектирование и количественная оценка составляющих себестоимости осуществляется различными группами специалистов (конструкторов, технологов, плановиков) с использованием локальных автоматизированных систем. Поскольку для оценки составляющих себестоимости необходима информация, содержащаяся в различных разделах баз данных проекта, то расчет С_ТС должен осуществляться в интегрированной программно-информационной среде конструкторско-технологического проектирования и планирования производства по двухуровневой схеме (рис.2):

- I – Формирование и оценка электронных моделей проектных решений (изделия, технологических процессов, производственной системы) в локальных автоматизированных системах;

- II–Интегральная оценка технологической себестоимости на основе анализа комплекса электронных моделей

объектов и процессов производства.

рис.2. Структура комплекса электронных моделей для расчета технологической себестоимости изделий АТ

Для реализации процедур автоматизированного расчета показателей технологичности, включая технологическую себестоимость, необходимо:

· использовать представление единых моделей конструкции изделия, технологии и производственной среды в виде древовидных наборов (деревьев, структур) связанных элементов: конструкторских (детали, подсборки), технологических (переходы, операции, техпроцессы) и производственных (подразделения, средства технологического оснащения);

· сформировать соответствующий атрибутивный составэлементов структур изделия, технологических процессов, элементов производственных систем и электронных цикловых графиков;

· разработать и программно реализовать запросно-ответную систему, позволяющую обработать информационные массивы модели данных в соответствии с алгоритмами расчета показателей технологичности;

· актуализировать базу данных нормативно-справочной информации для проведения расчетов показателей технологичности изделий.

При оценке затрат на материалы С_М массу материала, необходимого для изготовления изделия, можно представить в виде суммы двух составляющих: m_И+m_О, где m_И – масса компонента изделия, а m_О – масса отходов. Тогда:

С_М=m_И×Ц_М+m_О×(Ц_М – Ц_О), (1)

где Ц_М и Ц_О – соответственно цены на исходные материалы и отходы.

Конструкторские электронные модели изделия (КЭМ И) содержат информацию о применяемых материалах в финальном состоянии;технологические электронные модели сборочных единиц, деталей и заготовок (ТЭМ И)– в исходном (полуфабрикаты и заготовки) и промежуточных состояниях изделия.Процедура расчета С_Мзаключается в автоматизированной обработке конструкторского и технологического дерева изделий с учетом данных о стоимости материалов, хранящихся в электронных справочниках.

Затраты на заработную плату основных производственных рабочих С_Зрассчитываются по каждому технологическому процессу на основании штучно-калькуляционного времени (Т_ШК) с учетом тарифных ставок и коэффициентов, учитывающих отчисления в социальный фонд, метод организации работ (бригадный или многостаночное обслуживание) и коэффициент переработки норм.

Для расчета затрат на проектирование, изготовление и монтаж средств технологического оснащения С_СТО необходимо в специализированных системах выполнить проектирование СТО и сформировать их конструкторские и технологические макеты, а также спроектировать технологические процессы изготовления и монтажа СТО. Этот комплекс работ является длительным и трудоемким и в полном объеме реализуется при технологической подготовке производства на заводах-изготовителях. На этапах эскизного и рабочего проектирования при разработке директивных технологических процессов делается укрупненная оценка затрат на СТО с использованием экономико-математических моделей. При этом осуществляется:

· предварительная оценка затрат на проектирование и изготовление СТО с разбивкой по агрегатам планера и видам работ;

· уточненная оценка трудоемкости изготовления СТО по формулам, учитывающим конструктивные особенности агрегата, тип и назначение оснастки, геометрические характеристики, количество конструктивных элементов.

При расчете затрат на эксплуатацию элементов производственной системы СЭПС учитываются затраты ресурсов на реализацию производственных процессов, а также на проведение планово-предупредительных ремонтов оборудования и средств автоматизации.

Для снижения трудоемкости расчетов разрабатываются технологические классификаторы элементов конструкции и средств технологического оснащения (рис. 3), выделяются типовые представители технологических групп, для которых осуществляется проектирование и нормирование технологических процессов, разработка и оценка затрат на изготовление СТО, а далее расчеты ТЭП переносятся на каждый представитель, входящий в технологическую группу, с учетом поправочных коэффициентов.

рис. 3 Примеры классов объектов

Для реализации расчетных моделей создаетсяспециализированное программное обеспечение«Формирование и анализ конструктивно-технологических и организационных решений» (ФАКТОР). ФАКТОР в качестве входных данных использует хранимые в единой информационной среде структуры. Расчет технологических показателей осуществляется с использованием модулей, реализующих типовые формализованные процедуры по обработке моделей технологических процессов и цикловых графиков. Процесс работы ФАКТОР’а можно разделить на три основных этапа:

1. Передача данных из PLM среды в приложение. Передачу данных и одновременную инициализацию работы приложения выполняет PLM-система. В качестве передаваемых данных выступает дерево технологий (MBOP) с необходимым атрибутивным составом и связанными элементами других структур. Данные передаются в формате plm xml с использованием механизмов TC Import Export и XSLT. На этом же этапе происходит преобразование передаваемых данных в структуру, используемую внутри приложения.

2. Обработка данных. Непосредственный расчет выбранных количественных показателей технологичности или группы таких показателей производится отдельными подключаемыми модулями приложения (плагинами). Модуль представляет собой алгоритм, реализующий параметрическую модель запроса, и написанный на кроссплатформенном языке программирования. Алгоритм и результат его работы соответствуют требованиям отраслевой НТД и могут отражать специфику конкретного предприятия. Ввод данных, необходимых для выполнения модулем вычислений, но отсутствующих в обрабатываемой модели, осуществляется оператором с использованием диалоговых окон.

Набор модулей определяется областью применения приложения (машиностроение, судостроение, авиа- и ракетостроение и т.п.), при этом объектами анализа могут быть структуры, описывающие как изделия основного производства, так и вспомогательного. Например, при наличии в среде PLM системы структур, описывающих изготовление и сборку средств технологического оснащения (оборудования, приспособлений), может быть посчитана трудоемкость изготовления СТО, уровень оснащенности производственной среды основного производства и другие количественные показатели, являющиеся частью оценки общей технологичности изделия. При отсутствии же таких структур, путем анализа конструкции основного изделия может быть получена необходимая номенклатура заготовительной и сборочной оснастки, выявлены типовые представители агрегатов, узлов, деталей, изготавливаемые и собираемые по типовым технологическим маршрутам, что позволит применить типовые параметризованные схемы СТО.Данная методика укрупнённого расчёта трудоёмкости изготовления средств технологического оснащения (СТО) на ранних стадиях проектабыла разработана и апробирована специалистами УлГУ и МАТИ в рамках проекта развития интегрированной автоматизированной системы информационной поддержки жизненного цикла воздушных судов гражданской и транспортной авиации, реализуемого на ЗАО «Авиастар-СП».

3. Вывод результатов. Результаты работы модулей (рис. 6) могут быть использованы для последующих вычислений или сохранены в среде PLM системы. Для их визуализации в контексте исходных данных так же могут применяться специализированные модули, позволяющие выводить информацию в графическом виде (в форме диаграмм, графиков, таблиц).

ФАКТОР представляет собой гибкий механизм обработки структур данных, создаваемых в единой информационной среде на различных этапах проектирования изделия авиационной промышленности. Использование единой информационной среды для хранения модели данных и в качестве источника информации решает проблему отсутствия, неполноты или неактуальности исходных данных, а возможность сохранения и повторного использования результатов расчетов всеми пользователями PLMсистемы увеличит интеграцию рабочих процессов между подразделениями.Разработанная структура приложения в совокупности с используемыми технологиями и механизмами делает процессы передачи, обработки и вывода данных предельно прозрачными и легко настраиваемыми под нужды конкретного предприятия. Благодаря использованию кроссплатформенного языка и модульной структуры (на этапах взаимодействия с пользователем и выполнения алгоритмической обработки данных) упрощены разработка информационной части и расширение функционала ФАКТОР’а.

В базовом варианте с несколькими основными расчетными модулями приложение войдет в состав интегрированного автоматизированного комплекса конструкторско-технологического проектирования, созданного на основе интеграции программных продуктов компании Siemens PLM Software и системы технологического проектирования «ТеМП» и позволит сократить сроки проведения технологической подготовки производства к выпуску новых изделий авиационной техники.

Литература

1. Технологичность конструкции изделия: Справочник / Под общ. ред. Ю.Д. Амирова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 768 с.

2. Руководство по технологичности самолетных конструкций / Под общ. ред. П.Н. Белянина. – М.: НИАТ, 1983. – 720 с.

3. Горбунов М.Н. Основы технологии производства самолетов. М., «Машиностроение», 1976, 250 с.

4. Кривов Г.А. Эффективно организованная электронная технологическая среда—основа компьютерного проекта самолета. Информационные технологии в наукоёмком машиностроении. Киiв: «Технiка», 2001, с. 327-398., ил.

5. Самсонов О.С., Саутенков М.Е., Шенаев М.О. Имитационное моделирование производственных процессов сборки в мультисистемной программно-информационной среде. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т.14, №4 (2), 2012, с.348.

6. Самсонов О.С. Оптимизация сборки изделий авиационной техники на основе моделирования процессов производства. Технология машиностроения, №8. – М.: Издательский центр «Технология машиностроения» 2012, с.24.