Эскизное проектирование прототипных объектов корпусной мебели для позаказного промышленного производства

Теория автоматизированного проектирования является одной из самых современных областей научных исследований, имеющих большое прикладное значение. Это синтетическая дисциплина, интегрирующая большинство современных информационных технологий и областей знания: телекоммуникации, СА8Е-технологии, базы данных, языки программирования, вычислительную математику, математическую логику и т. д. Системы автоматизированного проектирования широко используются в различных отраслях промышленности. Это обусловлено широкой информатизацией общества и принципиально новыми требованиями к производительности труда и качеству выпускаемой продукции, предъявляемыми рыночной экономикой. Интеграция России в мировое экономическое сообщество невозможна без дальнейшей интенсификации научных исследований в области автоматизированного проектирования и их практической реализации. Сложность технологических процессов, современные способы организации производства, возрастающий поток информации между отдельными компонентами автоматизированных систем, а также жесткая конкуренция производителей и постоянно меняющаяся экономическая ситуация порождают большое количество задач, требующих новых подходов для их решения с целью максимальной автоматизации производственных процессов.

Проектирование изделий в мебельной промышленности имеет существенную специфику, обусловленную их материально-художественной сущностью. Необходимыми его этапами являются инновационная дизайнерская проработка и композиционное формообразование [6, 52, 58, 85]. В настоящее время российская мебельная промышленность является динамично развивающейся частью лесопромышленного комплекса [36, 37, 42, 80, 101], в структуре которой примерно 85% общего объема занимает корпусная мебель [31, 77]. Условия рыночной экономики и ликвидация ажиотажного спроса на мебель сместили требования покупателя в сторону качества, эстетического облика и индивидуальности изделий при приемлемых ценах, регламентированных сроках поставки и гарантированном сервисе. Традиционное массовое производство мебели, а также получившее широкое распространение производство мебели по индивидуальным заказам полукустарными способами не в состоянии удовлетворить указанные требования. Реагируя на новые реалии, мебельные предприятия вынуждены каждый вид своей продукции ориентировать на удовлетворение запросов определенной группы потребителей или даже единственного потребителя при всемерном повышении качества изделий. В результате возникает и получает широкое распространение новый тип производства — позаказное промышленное производство, сочетающее в себе массовый выпуск и широкую номенклатуру изделий, отработанные технологические процессы и жесткие ограничения на время выполнения заказа, качество изделий и их индивидуальность, увеличение объема проектных работ и недопустимость ошибок проектирования. В силу противоречивости данных требований необходимым условием эффективного функционирования позаказного промышленного производства является использование средств автоматизации на всех этапах жизненного цикла изделия.

Систематические исследования проблем автоматизированного проектирования корпусной мебели начались в 90-х годах прошлого века [66, 67, 68, 83, 92]. В настоящее время на мебельных предприятиях эксплуатируется ряд систем автоматизированного проектирования [16, 43, 69, 84, 91]. Однако преимущественное использование в них геометрических моделей и полномасштабного набора исполнительных координат не позволяют в должной мере решить проблемы автоматизации позаказного промышленного производства. Необходим переход к объектным структурно-атрибутивным моделям (ОСАМ) [99], содержащим, наряду с геометрической информацией, данные о структуре объекта и декомпозиции его на уровни, сопряжении уровней между собой, внешних сопряжениях объекта, конструкторско-технологических требованиях и ограничениях. Эти модели являются основой практической реализации концепции безошибочного проектирования и производства (БОПП) изделий корпусной мебели [22, 97].

В рамках концепции БОПП процесс проектирования изделия корпусной мебели разбивается на два этапа, дифференцированных по уровню абстракции моделей: дизайн и эскизное проектирование прототипных объектов (инжиниринг) и функциональное проектирование конкретного изделия с формированием необходимого комплекта конструкторско-технологической документации (реинжиниринг) [17].

Объектом исследования данной работы является эскизное проектирование прототипных объектов корпусной мебели для позаказного промышленного производства.

Актуальность исследования обусловлена тем, что именно на этапе эскизного проектирования закладываются основы безошибочного выполнения проектных операций реинжиниринга в условиях жесткого дефицита времени. Задача эскизного проектирования состоит в формировании. модели прототипного объекта, инкапсулирующей конструктивные и технологические особенности его изготовления. Подобные модели отличаются высоким уровнем абстракции, в силу чего применение традиционных систем автоматизированного проектирования на этом этапе невозможно, ибо используемые в них модели не содержат всей необходимой информации для перехода к более высоким уровням абстрагирования.

Целью работы является создание математического, информационного, программного и методического обеспечения подсистемы эскизного проектирования прототипных объектов корпусных мебельных изделий, ее структуры и функциональности. Для достижения поставленной в работе цели использовались основные положения системного анализа, принципы и методы теории автоматизированного проектирования, элементы вычислительной и дискретной математики, современные технологии программирования. В ходе реализации цели были решены следующие задачи:

— проведение анализа современного состояния уровня автоматизации проектирования мебельных изделий;

— разработка методов преобразования эскизного описания прототипного изделия в совокупность исполнительных координат деталей изделия;

— разработка моделей и структур данных для формализации и представления КТТО;

— разработка математических моделей сопряжения деталей прототипного изделия;

— формирование структуры и обоснование функций инструментальных средств подсистемы автоматизации эскизного проектирования прототипных объектов мебельных изделий.

Научная новизна исследования состоит в том, что в работе предложен новый подход к автоматизации эскизного проектирования и получены следующие результаты:

— методы преобразования эскизного описания прототипного изделия в совокупность исполнительных координат деталей этого изделия, отличающиеся сочетанием эскизного структурно-атрибутивного представления изделия с конструкторско-технологическими требованиями и ограничениями, что обеспечивает минимизацию участия человека при выработке исполнительных координат;

— математические модели структур данных и правил для формализации и представления КТТО конструктивных элементов (узлов) мебельных изделий, отличающиеся эскизным представлением конструктивных элементов в сочетании с набором правил и геометрических отношений, определяющих исполнительные координаты элементов этих узлов, что позволяет реализовать основные положения концепции БОПП;

— алгоритмы формирования исполнительных координат узлов сопряжения элементов мебельных изделий, отличающиеся автоматическим синтезом исполнительных координат по эскизному описанию этих узлов, что позволяет исключить участие человека в формировании исполнительных координат;

— структура и способы формирования баз данных КТТО, отличающиеся параметрической адаптацией к технологии конкретного производителя мебельного изделия, что обеспечивает их использование в автоматическом режиме;

— требования к структуре и функциональности инструментальных средств автоматизации эскизного проектирования корпусных мебельных изделий и ансамблей, отличающиеся комплексным учетом положений концепции безошибочного проектирования, что позволяет сформировать принципиально новый способ автоматизации проектирования мебельных изделий, обеспечивающий возможность их промышленного изготовления в условиях позаказного производства.

Практическая значимость исследования состоит в реализации подсистемы автоматизации эскизного проектирования прототипных объектов корпусных мебельных изделий. Анализ опыта ее применения на ряде мебельных предприятий показал значительное сокращение времени проектирования новых изделий, отсутствие субъективных ошибок проектирования, формирование моделей, адаптированных к технологическим особенностям конкретного мебельного предприятия. Помимо этого следует отметить использование разработанной подсистемы при подготовке кадров для мебельной промышленности в высших и средних специальных учебных заведениях.

Структура диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены особенности автоматизированного проектирования мебельных изделий и проведен анализ современного состояния проблемы и подходов к автоматизации проектирования. Рассмотрены различные САПР корпусных мебельных изделий и показано, что их функциональные возможности не позволяют в полной мере учесть особенности позаказного промышленного производства. На основе проведенного анализа сформулирована задача синтеза математических моделей для использования в процессе эскизного проектирования прототипных изделий.

Вторая глава посвящена элементам математического, информационного и программного обеспечения автоматизированной подсистемы эскизного проектирования прототипных объектов мебельных изделий. Приведены структуры узлов сопряжения и КТТО, а также принципы построения программного обеспечения. По результатам исследования обоснована и разработана структура проблемно-ориентированного программного обеспечения, включающего в себя ряд автоинтерактивных таблично-графических эскизных редакторов, определены задачи каждого редактора, принципы организации интерфейса, наборы входных и выходных данных.

Третья глава содержит алгоритмы формирования эскизной модели прототипного объекта, конструирования и расчета положений узлов сопряжения и контроля безошибочности формируемой модели. В ней проведен анализ КТТО, используемых в процессе проектирования корпусной мебели, и описана разработанная структура соответствующей базы данных.

В четвертой главе приведена структура подсистемы эскизного проектирования прототипных объектов мебельных изделий и рассмотрены особенности ее реализации. Обосновано применение адаптивного параметрического подхода при синтезе моделей объектов и представлена общая структура подсистемы автоматизации эскизного проектирования. Проведен анализ использования разработанной подсистемы на промышленных предприятиях и в учебных заведениях.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Харину Валерию Николаевичу, к.т.н., доценту кафедры Вычислительной техники ВГЛТА Старикову Александру Вениаминовичу, директору ООО «Базис-Центр» Бакулиной Наталье Николаевне и ведущему специалисту ООО «Базис-Центр» Каскевичу Николаю Владимировичу.

Заключение

.

Выполненная работа посвящена решению актуальной задачи автоматизации эскизного проектирования прототипных объектов КМИА. На основании всестороннего анализа современных систем автоматизированного проектирования мебели сделан вывод о недостаточной эффективности их применения в условиях позаказного промышленного производства и актуальности разработки программного обеспечения, базирующегося на принципах концепции БОПП. В диссертации получены следующие основные результаты, имеющие характер научной новизны:

1. Разработаны методы преобразования эскизного описания прототипного изделия в совокупность исполнительных координат деталей этого изделия, отличающиеся сочетанием эскизного структурно-атрибутивного представления изделия с конструкторско-технологическими требованиями и ограничениями, что обеспечивает минимизацию участия человека при выработке исполнительных координат.

2. Разработаны математические модели структур данных и правил для формализации и представления КТТО конструктивных элементов (узлов) мебельных изделий, отличающиеся эскизным представлением конструктивных элементов в сочетании с набором правил и геометрических отношений, определяющих исполнительные координаты элементов этих узлов, что позволяет реализовать основные положения концепции БОПП.

3. Разработаны алгоритмы формирования исполнительных координат узлов сопряжения элементов мебельных изделий, отличающиеся автоматическим синтезом исполнительных координат по эскизному описанию этих узлов, что позволяет исключить участие человека в формировании исполнительных координат.

4. Оперделены структура и способы формирования баз данных КТТО, отличающиеся параметрической адаптацией к технологии конкретного производителя мебельного изделия, что обеспечивает их использование в автоматическом режиме.

5. Сформированы требования к структуре и функциональности инструментальных средств автоматизации эскизного проектирования корпусных мебельных изделий и ансамблей, отличающиеся комплексным учетом положений концепции безошибочного проектирования, что позволяет сформировать принципиально новый способ автоматизации проектирования мебельных изделий, обеспечивающий возможность их промышленного изготовления в условиях позаказного производства.

На основании проведенных научных исследований разработана ПАЭП КМИА, реализующая необходимую функциональность процесса эскизного проектирования. Базирование на основных положениях концепции БОПП позволяет обеспечить ее эффективное промышленное использование на мебельных предприятиях, работающих в условиях позаказного производства. В отличие от использования традиционных САПР при внедрении ПАЭП предприятие получает следующие дополнительные преимущества:

— реализация проектов в сжатые сроки при минимизации субъективных ошибок, как результат применения данных и методов, инкапсулированных в ОСАМ КТТО, при выполнении всех проектных операций процесса эскизного проектирования в соответствии с концепцией БОПП;

— высокая оперативность внедрения в производство новых изделий за счет переноса основных проектных операций на высшие уровни абстракции формирования модели и использовании разработанных автором ОСАМ КМИА;

— согласованность работы всех подразделений и служб предприятия достигаемая в результате трансформации эскизного представления во множество исполнительных координат, сопряженное с информационными потребностями используемых САПР непосредственно или на уровне стандартных форматов обмена данными, при переходе к этапу рабочего абстрагирования;

— удобство эксплуатации и легкость освоения ПО, обусловленные реализацией разработанных автором требований к комплексу инструментальных средств в виде совокупности тесно взаимодействующих АТГР, реализующих функционал конкретных блоков проектных операций;

— высокое качество, обоснованность и информационная насыщенность проектных решений как результат использования на этапе эскизного проектирования высоко абстрагированных математических моделей, позволяющих учитывать всю конструкторско-технологическую специфику конкретного предприятия на выбранном уровне абстракции;

— автоматизация и унификация процесса приема индивидуальных заказов за счет дифференцирования жизненного цикла проектирования изделия на процессы инжиниринга и реинжиниринга.

Апробация основных научных положений и практических результатов диссертации производилась на V Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (г. Новокузнецк, 2005) — I международной научно-практической конференции «Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2005) — Международной научно-технической Интернет-конференции «Информационные технологии в управлении и моделировании» (г. Белгород, 2005) — XV Международной конференции-выставке «Информационные технологии в образовании» (г. Москва, 2005) — Международной научно-практической конференции «Наука и образование на службе лесного комплекса (к 75-летию ВГЛТА)» (г. Воронеж, 2005) — Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании — 2005» (г. Калининград) — 6-й Всероссийской конференции «Информация, инновации, инвестиции-2005» (г. Пермь).

По результатам диссертационного исследования опубликовано 16 статей в научной печати и получено три свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Разработанная на основе проведенных автором научных исследований подсистема автоматизации эскизного проектирования внедрена в промышленную эксплуатацию на 12 мебельных предприятиях с годовым экономическим эффектом от 0,3 до 2,1 млн руб. в зависимости от объема и номенклатуры конкретного производства. Сферой ее дальнейшего применения являются предприятия, выпускающие изделия корпусной мебели полностью или частично в условиях позаказного промышленного производства.

Результаты, полученные в диссертации, явились основой создания и внедрения в учебный процесс программно-методических комплексов для изучения основ проектирования мебели в девяти высших учебных заведениях.

Результаты, полученные в диссертации, подтверждают эффективность и высокую практическую значимость применения положений концепции БОПП для решения задачи автоматизации эскизного проектирования прототипных объектов КМИА.