Моделирование размерных связей процесса нивелировки с целью разработки информационной поддержки, обеспечивающей заданную точность геометрических параметров ЛА

На пороге третьего тысячелетия, оглядываясь назад и анализируя весь ход научно-технического прогресса XX века, нельзя не отметить поистине невероятный прорыв во всех отраслях научно-технического знания и промышленного производства, связанный с появлением в начале 60-х годов электронно-вычислительной техники. В первую очередь появление ЭВМ с ее сверхмощными вычислительными возможностями стимулировало развитие авиационной и ракетно-космической техники.

Успешное развитие ракетно-космической техники позволило в середине восьмидесятых годов, используя спутниковую связь, покрыть весь мир «паутиной» непрерывно растущей международной сети интернет, которая связывает миллионы организаций, компаний и частных лиц.

Появившиеся в семидесятые годы на мировом рынке компьютерных технологий системы автоматизированного проектирования CAD/CAM (Computer Aided Design/ Computer Aided Manufacturing — проектирование и производство с использованием компьютера) совместно с сетевыми технологиями сгенерировали новую стратегию развития промышленного производства в целом — стратегию компьютер интегрированного производства CIM (Computer Integrated Manufacturing), успешно реализуемую в настоящее время многими зарубежными промышленными компаниями. Особенно эффективно реализация стратегии CIM проявляет себя на предприятиях авиационно-космического и машиностроительного комплекса, которым присущи значительные объемы проектно-конструкторских и контрольно-испытательных работ.

Российская экономика сейчас находится в процессе перехода на новые рыночные отношения. В новых экономических реалиях передовые отечественные предприятия безусловно понимают необходимость качественной реконструкции всех производственных процессов в контексте использования передовых информационных технологий с целью повышения качества выпускаемых изделий, снижение затрат на производство, повышение эффективности работы предприятия в условиях рынка и тесной кооперации с зарубежными партнерами.

Для авиационного и ракетно-космического производства одним из ключевых аспектов создания высококачественных и надежных летательных аппаратов (ЛА) является проблема обеспечения точности их нивелировочных и котировочных параметров, как параметров, характеризующих, соответственно, взаимное расположение частей ЛА и расположение приборов пилотажно-навигационного оборудования относительно его корпуса. Возрастающие требования к точности и надежности обеспечения и определения этих параметров отражают ключевую тенденцию развития авиационного производства — создание конкурентоспособных высокоманевренных сверхи гиперзвуковых аппаратов, функционирующих как на больших, так и на относительно малых высотах.

В работе предпринята попытка создания научных и практических основ решения задачи обеспечения заданной точности и надежности определения действительных значений нивелировочных и котировочных параметров ЛА с использованием современных информационных технологий.

Актуальность работы обусловлена с одной стороны возрастающими требованиями к точности обеспечения и определения нивелировочных и котировочных параметров, а с другой — значительными трудностями при их выполнении этих требований, как следствие существующего на сегодняшний день экспертного подхода при решении задач нормирования указанных параметров и прогнозирования точности определения их действительных значений.

Объектом исследования в работе является технологическая система (ТС) процесса нивелировки как совокупность объекта производства — ЛА, исполнителей и средств технологического оснащения, предназначенных для реализации процесса. Предмет исследования — размерные связи процесса нивелировки, как совокупность информации о взаимном расположения агрегатов ЛА.

Совершенствование ТС процесса было осуществлено с использованием методики «реинжиниринга бизнес процессов». Данная методика есть определенный набор правил и рекомендаций, предназначенных для анализа, оптимизации и перепроектирования совокупности каких-либо работ или процесса, с целью наиболее полного удовлетворения требований потребителей. В соответствии с методикой реинжиниринга согласно [37], [54] совершенствование процесса следует осуществлять поэтапно.

Первый этап называется «организационные мероприятия по совершенствованию процесса». На первом этапе проводится анализ существующих требований потребителей к результатам выполнения процесса, в соответствии с чем определяется цель реализации процесса. В заключении, согласно поставленным задачам определяются основные направления совершенствования процесса.

Второй этап — «понимание процесса» — подразумевает осуществление инжиниринга процесса или, иными словами, его проектирования. Следует понимать, что проектированию подлежит типовой процесс нивелировки в его состоянии на момент начала исследования. Проектирование производится на основе уже существующих методов и средств обеспечения процесса. Таким образом, в рамках инжиниринга проводится идентификация работ, составляющих процесс, с целью выявления тех из них, которые на следующем этапе необходимо совершенствовать или полностью перепроектировать.

Третий этап — «рационализация процесса». На этом этапе производится перепроектирование процесса или его отдельных работ в соответствии с ранее выбранными направлениями его совершенствования.

Четвертый этап — «внедрение, измерение, контроль». На заключительном этапе осуществляется анализ целесообразности внесенных изменений на основе результатов практического внедрения нового процесса.

В связи с этим диссертационная работа была структурирована по четырем главам — этапам (фазам) реинжиниринга процесса ТС нивелировки.

Целью работы является разработка и последующее информационное воплощение на базе одной из систем класса CAD/CAM методики проектирования и реализации технологического процесса нивелировки, удовлетворяющего заданным требованиям к точности и надежности оценки погрешности определения нивелировочных параметров ЛА. Под нивелировочными параметрами понимаются параметры, характеризующие взаимное расположение агрегатов ЛА.

Следует однако отметить, что вопросы нормирования нивелировочных и юс-тировочных параметров в работе не рассматривались.

При инжиниринге процесса оказалось, что его реализация связана прежде всего с необходимостью определения действительного взаимного расположения собственных систем координат агрегатов ЛА. Для чего сначала при проектировании ЛА расположение элементов систем координат агрегатов (осей и координатных плоскостей) увязывается на чертеже, плазе с какими-либо конструктивными элементами агрегата или, так называемыми, реперными точками. Перенесение реперных точек на агрегаты производится после их сборки либо в стапеле (путем кернения), либо с помощью лазерных центрирующих измерительных систем (ЛЦИС). В процессе нивелировки действительное взаимное расположение агрегатов окончательно собранного ЛА контролируется путем определения действительного взаимного расположения их систем координат посредством измерения координат реперных точек.

При существенных погрешностях обеспечения и измерения координат реперных точек и высоких требований к точности измерения взаимного расположения координатных плоскостей трех реперных точек становится недостаточно для определения координатной плоскости агрегата. Тогда ее задают четырьмя или более реперными точками, а ее положение вычисляют путем усреднения значений измеренных координат реперных точек (например, по методу наименьших квадратов). Очевидно, что при равной точности обеспечения и измерения координат реперных точек, увеличение их количества, с одной стороны, ведет к увеличению точности определения координатной плоскости, а с другой — к повышению затрат на реализацию процесса нивелировки. Поиску путей разрешения этого противоречия и посвящена работа.

Анализ ряда технологических процессов нивелировки и юстировки, на отечественных предприятиях, а также и анализ литературы, посвященной процессам контроля геометрических параметров, показал следующее:

• выбор количества реперных точек и нормирование их взаимного расположения производится экспертно и является прерогативой главного конструктора;

• отсутствует методика прогнозирования точности реализации процессов нивелировки и юстировки ЛА.

Экспертный подход при проектировании и реализации процессов нивелировки и юстировки обусловил существенные трудности при удовлетворении высоких требований к точности обеспечения о определения нивелировочных и котировочных параметров ЛА. Следствием этого явились, во-первых, значительные затраты на отработку технологических процессов нивелировки и юстировки, а во-вторых, необходимость резервирования ресурсов систем ЛА (прежде всего двигательной установки) на компенсацию возмущающих моментов, возникающих в результате неправильного взаимного расположения агрегатов и приборов ЛА.

В результате инжиниринга были поставлены научные и практические задачи исследования.

Научные задачи исследования:

• обосновать метод исследования размерных связей процесса нивелировки;

• построить математическую модель размерных связей процесса нивелировки, обеспечивающую исследование взаимного расположения агрегатов ЛА.

Практические задачи исследования:

• разработка методики определения способа задания и материализации систем координат агрегатов, обеспечивающего заданную надежность технологического процесса нивелировки;

• практическая реализация разработанной методики на ЭВМ в качестве программного приложения к системе компьютерного проектирования и производства (CAD/CAM), обеспечивающего информационную поддержку проектирования и реализации процесса нивелировки в соответствии с заданными техническими условиями.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Обосновано использование метода имитационного моделирования для анализа пространственных размерных связей процесса нивелировки. Построена математическая модель размерных связей процесса, позволяющая проводить исследование положения нивелировочных плоскостей и средств их материализации (реперных точек). Показана возможность и определены необходимые условия использования этой модели при нахождении действительного взаимного расположения агрегатов, а следовательно, и действительных аэродинамических характеристик ЛА.

2. В интересах практического использования предложена имитационная модель размерных связей процесса, необходимая для реализации имитационного эксперимента. Модель учитывает случайный характер угла между плоскостями, в которых находятся элементы размерных связей, и позволяет управлять параметрами надежности технологического процесса нивелировки.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе общей схемы имитационного моделирования была разработана методика выбора количества и расположения реперных точек, необходимых для достижения заданной точности и надежности оценки погрешности определения взаимного расположения координатных плоскостей агрегатов. Разработано программное приложение «MSI» к системе компьютерного проектирования и производства «MicroStation» (компании Bentley Systems Inc), реализующее на ЭВМ методику выбора способа задания и материализации нивелировочных плоскостей агрегатов. Предложена и экспериментально апробирована информационная поддержка обеспечения процесса нивелировки ЛА.

Положительный результат внедрения работы, состоит в повышении точности и надежности определения и обеспечения нивелировочных параметров ЛА, путем проектировании и реализации с помощью разработанной информационной поддержки технологического процесса нивелировки, удовлетворяющего заданным техническим условиям.

Выводы по работе.

1. Повышение точности и достоверности оценки погрешности определения взаимного расположения агрегатов, увеличение производительности и снижение затрат на технологическую оснастку, путем автоматизации исследования пространственных размерных связей является актуальной задачей в технологии производства ЛА. Актуальность задачи обусловлена со одной стороны высокими требованиями к точности обеспечения нивелировочных параметров, а с другой — преобладанием на сегодняшний день экспертного подхода при их нормировании и проектировании процессов контроля, не позволяющем эффективно удовлетворять эти требования.

2. Исследование процесса нивелировки выявило основные причины невысокой достоверности оценки погрешности определения взаимного расположения агрегатов. Причина состоит в невысокой точности материализации базовых систем координат агрегатов. Отсутствие отраслевых документов по оценке точности процесса нивелировки обусловливает экспертный подход при его проектировании и не позволяет определить по заданному допуску на угловое расположение нивелировочных плоскостей необходимое количество реперных точек, обеспечивающее достижение требуемой точности измерения этого положения.

3. Разработаны математическая и имитационная модели размерных связей процесса, позволяющие осуществлять методом имитационного моделирования исследование взаимного расположения нивелировочных плоскостей агрегатов. Применение разработанных моделей вместо аппарата размерных цепей позволит повысить точность и достоверность результатов исследования геометрических параметров ЛА путем включения в уравнение связи дополнительного фактора — влияния угла между нивелировочными плоскостями. Использование полученных моделей позволяет определять действительное положение базовой системы координат агрегата в том виде, в котором она задана в проекте. Это обеспечивает оценку действительного положения частей агрегата в его БСК.

4. На основе алгоритма имитационного моделирования разработана методика выбора способа задания и материализации нивелировочных плоскостей агрегатов, которая вошла в методические материалы — «Методика выбора оптимального количества и расположения реперных точек для достижения заданной точности и достоверности определения действительного взаимного расположения нивелировочных плоскостей ЛА» .

5. Информационная реализация разработанной методики в виде программного приложение «MSI», работающего в контуре CAD/CAM системы «MicroStation», по.

146 зволяет при исследовании имитационной модели размерных связей процесса управлять уровнями параметров ее надежности. Результаты расчетов размерных связей процессов нивелировки самолетов ЯК-18т и ИЛ-96, проводимые с помощью приложения «MSI», показали возможность увеличения на 30−50% допустимой погрешности измерения координат реперных точек. В процессе отработки на технологичность изделия 9М96 на МКБ «Факел» приложение позволило снизить в 1,5 раза требования к точности базирования отсеков в стенде при их стыковке.

6. Состоятельность разработанной методики прогнозирования точности определения нивелировочных параметров была подтверждена положительными оценками статистической совместимости значений координат реперных точек, генерируемых в рамках метода имитационного моделирования, с данными натурных измерений этих координат на самолетах ТУ-154 М и ТУ-154 Б.

7. Разработанное приложение было положено в основу информационной поддержки обеспечения технологического процесса нивелировки, которая позволяет автоматизировать процесс его проектирования, в соответствии с заданными техническими условиями.

8. В тоже время, предпринятое исследование оставило открытым целый комплекс вопросов, связанных с проблемой нормирования взаимного расположения агрегатов ЛА. Поиск ответов на них — задача дальнейших исследований.