Components and principles in CAD

It is known that domestic and foreign machine building industry have been affected by serious structural changes over the past few years. Their main point is that the part of single piece and small-lot machinery production (multiproduct engineering manufacture, MM) is up to 25-30 per cent in the total amount of machine building industry products. This is due to the natural consumers' desire to have goods with the properties they need at the right time. Besides, most enterprises in breakthrough machine building industry directions produce the first samples of science-intensive, high-technology products in small batches.
Multiproduct manufacture is characterized by a large number of simultaneous orders, high dynamism of a production situation in technological units, constant (all year round) emergence of new contracts with tough deadlines. Unfortunately, due to its small amount earlier, multiproduct manufacture was away from a range of problems, as well as from industrial developments in technological process design automation systems (TP DAS) and automated technological process control systems (APCS). This fact determines low efficiency of designed technologies due to the lack of time for manufacturing preparation. It also creates problems in technological process control and eventually increases new product preparation time and product manufacturing production run.
The bailout plan is the information integration of TP DAS and APCS based on the principles suggested below.
Principles of creating integrated TP DAS and APCS
The papers [1-4] consider set-theoretic models of integrating APCS and TP DAS. These works also show the types of information transformations, system hierarchy, the rules of the synthesized decisions selection.
In order to take into account multiproduct manufacture peculiarities, these papers formulate the principles determining creating of integrated TP DAS and APCS (IS). Let us have a closer look at them.
1.Information integration has to provide the minimum industrial system lag effect determined by the time of response to a production situation change. This requirement is dictated by the need to ensure industrial system functioning according to the "just-in-time" principle .2.The integrated system has to make product life cycle control possible.
3.The integrated system has to work within a product quality control system.
4.The integrated system has to be controlled by the enterprise control system (ECS) based on direct communication and feedback, have external information relations with the designing preproduction system; controlled objects are industrial system workplaces.
5.TP DAS and APCS interaction has to be as follows. TP DAS information (machining content, tracks of parts going through workplaces) is APCS input information. At the same time, this information synthesis takes into account the data on the actual industrial system state received from APCS (feedback). Thus, it creates a background for effective control at the technological process design stage.
перевод 1 часть:
Известно, что отечественное и зарубежное машиностроение за последние несколько лет претерпело серьезные структурные изменения. Их суть заключается в том, что доля производства штучного и мелкосерийного оборудования (многопрофильное машиностроение, ММ) в общем объеме продукции машиностроения достигает 25-30%. Это связано с естественным желанием потребителей иметь товары с необходимыми им свойствами в нужное время. Кроме того, большинство предприятий прорывных направлений машиностроительной отрасли выпускают первые образцы наукоемкой, высокотехнологичной продукции в небольших партиях.
Многопрофильное производство характеризуется большим количеством одновременных заказов, высокой динамичностью производственной ситуации в технологических подразделениях, постоянным (круглогодичным) появлением новых контрактов с жесткими сроками исполнения. К сожалению, в связи с небольшим объемом производства многопрофильной продукции ранее отсутствовал комплекс проблем, а также промышленные разработки в области систем автоматизации проектирования технологических процессов (TP DAS) и APCS. Это обуславливает низкую эффективность разработанных технологий из-за недостатка времени на подготовку производства. Это также создает проблемы в управлении технологическими процессами и в конечном итоге увеличивает время подготовки нового продукта и объем производства продукции.
План спасения представляет собой информационную интеграцию TP DAS и APCS на основе принципов, предложенных ниже.
Принципы создания интегрированных TP DAS и APCS
В работах [1-4] рассмотрены теоретико-сетевые модели интеграции APCS и TP DAS. В этих работах также показаны типы информационных преобразований, системная иерархия, правила отбора синтезированных решений.
В целях учета особенностей производства многопрофильных изделий в данных работах сформулированы принципы, определяющие создание интегрированных TP DAS и APCS ((IS). Давайте рассмотрим их поближе.
1.Информационная интеграция должна обеспечивать минимальный эффект запаздывания промышленной системы, определяемый временем реагирования на изменение производственной ситуации. Это требование продиктовано необходимостью обеспечения функционирования промышленной системы по принципу "точно в срок" [5].
2.Интегрированная система должна обеспечивать возможность управления жизненным циклом изделия.
3.Интегрированная система должна работать в рамках системы контроля качества продукции.
4.Интегрированная система должна управляться системой управления предприятием (ECS) на основе прямой связи и обратной связи, иметь внешние информационные связи с системой предпроизводственного проектирования; объектами управления являются рабочие места промышленной системы.
5.Взаимодействие TP DAS и APCS должно быть следующим. Информация TP DAS (содержание обработки, следы деталей, проходящих через рабочие места) является входной информацией APCS. В то же время, данный информационный синтез учитывает данные о фактическом состоянии промышленной системы, полученные от APCS (обратная связь). Таким образом, это создает предпосылки для эффективного контроля на стадии проектирования технологического процесса.

Principles of creating TP DAS within integrated systems
The principles considered below are based on the understanding that the difference between design-engineering parts characteristics; various equipment structure and jigs, fixtures and tools; unpredictable conditions of technological machine load units, the actual number of workers, new orders emergence, etc. predetermine the interpretation of a technology development process as an insufficiently formalized, multiple-choice organizational and technological task, which is solved in the context of information uncertainty [4, 6]. There are following principles:
-taking into account a current situation in machine load production units;
-subordinating the technological processes (TP) objective to the firm objectives when fulfilling a concrete order;
-fast response time of manufacturing preparation processes;
-creating prerequisites for effective technological process design;
-creating prerequisites for effective technological process control at the technological process design stage;
-the hierarchical organization of TP DAS Procedures
-the system has to provide the hybrid work mode.
Let us now characterize the principles listed.
The meaning of the first principle is to assign process operations to currently least busy workplaces.
The meaning of the second principle is to set the objective (O) for technological processes designed for a given order.
The third principle is about available operative information communications: a) between the units responsible for manufacturing preparation (MP) and the technological process control system (the equipment workload data); b) between the units responsible for MP and ECS (the order objective type).
It is rational to create prerequisites for effective technological process design when controlling designing preproduction processes. For this purpose, there should be certain measures for product design unification, which leads to engineering process unification and determines the possibility to implement advanced technologies on up-to-date equipment. This will ensure the reduction of design procedure labor input, the improvement of design decisions quality due to the optimization of technology elements for standard parts and their surfaces.
перевод 2 часть:
Принципы создания TP DAS в рамках интегрированных систем
Рассматриваемые ниже принципы основаны на понимании того, что различия между конструкторско-технологическими характеристиками деталей; различной структурой оборудования и оснастки, приспособлений и инструментов; непредсказуемостью состояния узлов технологической нагрузки машин, фактической численностью работающих, появлением новых заказов и т.д. предопределяют интерпретацию процесса разработки технологии как недостаточно формализованной, многозадачной организационно-технологической задачи, решаемой в условиях информационной неопределенности [4, 6]. Существуют следующие принципы:
- принимать во внимание текущую ситуацию в машиностроительных цехах;
- подчинение цели технологических процессов (ТП) твердым целям при выполнении конкретного заказа;
- быстрое реагирование на процессы подготовки производства;
- создание предпосылок для эффективного проектирования технологических процессов;
- создание предпосылок для эффективного управления технологическим процессом на стадии проектирования технологического процесса;
- иерархическая организация процедур TP DAS
- система должна обеспечивать гибридный режим работы.
Теперь давайте охарактеризуем перечисленные принципы.
Смысл первого принципа состоит в том, чтобы назначить технологические операции на наименее загруженные рабочие места.
Смысл второго принципа заключается в постановке задачи (О) для технологических процессов, предназначенных для данного заказа.
Третий принцип - наличие оперативной информационной связи: а) между подразделениями, ответственными за подготовку производства (УП) и системой управления технологическим процессом (данные о загрузке оборудования); б) между подразделениями, ответственными за УП и ЭКС (тип объекта заказа).
При контроле предпроектных процессов проектирования рационально создавать предпосылки для эффективного проектирования технологического процесса. Для этого должны быть предусмотрены меры по унификации проектирования продукции, что приведет к унификации технологических процессов и определит возможность внедрения передовых технологий на современном оборудовании. Это обеспечит снижение трудозатрат проектных процедур, улучшение качества проектных решений за счет оптимизации технологических элементов для стандартных деталей и их поверхностей.
Creating prerequisites for effective technological process control at the technological process development stage means subordinating design purposes to in-dustrial system purposes in the context of contract implementation terms, as well as technological units debottlenecking (see also principles 2 and 3).
Hierarchical organization of procedures means organizing design flow using the decomposition method. It is natural for human reasoning and allows experts to estimate results in their natural state.
The hybrid way is based on the following. Several feasible solutions are generated at each level of TP DAS design decomposition. After that, based on his experience and intuition the designer estimates and selects one or several rational solutions for subsequent detailing. This is due to the fact that decisions at the top decomposition levels cannot always be estimated by clear parameters (production costs, productivity, etc.). The top level involves choosing one decision.
A special focus should be on deciding on the type of a technological process objective. In this case, a group of experts (enterprise engaged services workers) make an agreed decision according to a certain algorithm [7].
Principles of creating APCS within integrated systems
Modern trends of machine building industry development [8, 9] include total quality control (TQC) or total quality management (TQM), total equipment maintenance (TEM), and a "'just-in-time" product system (JIT).
These components ensure creating lean production that involves manufacturing in timeframes specified by ECS and work in progress with minimum expenses.
The JIT system depends on APCS that has to make decisions aimed at reducing the overall production cycle.
Adhering to the principles should ensure semantic unity of AS TPC procedures planning and control processes.
The first principle of creating APCS is the principle of system unity and interconnection. This involves considering all APCS agents individually and allows identifying APCS as an independent entity that preserves integrity properties.
The second principle of creating APCS is making plan hierarchy and control accuracy correspond to enterprise plan accuracy. According to the system approach, the accuracy principle means that plan accuracy should increase as plans become more detailed.
The third principle of creating APCS is control continuity due to the feedback from ECS and technological units (TU), and efficiency due to AI elements. Control decisions should be made with the minimum allowable response time. The APCS allowable response time determines the interval of detecting plan unbalance (feedback) and computation execution speed.
The fourth principle of creating APCS is securing plan reserves. Reserves are necessary for the plans developed by APCS. Calculation algorithms should in-clude evaluation of a situation in technological units. This means a wide scheduling (WS) agent in APCS to build technological units margin power into calendars and schedules (CS). When determining reserves it should be noted that they cannot be too large, otherwise plans will be inaccurate. At the same time, too small reserves will cause frequent changes in company plans in general, which erodes control points in company operations.
The fifth principle of creating APCS says that APCS should plan an interactive hybrid mode with human involvement into the management process and additional management resources acquisition. APCS planning and management has several stages: wide scheduling, scheduling, operational planning and manual supervision (management). The first three stages are iterative. At each iterative stage and after stage completion the system offers possible decisions. The group of experts analyzes and evaluates them. At the manual supervision stage, experts analyze and evaluate possible managing decisions at the end of each operational planning interval. The most rational decision is made using fuzzy sets [10-12].
The sixth principle of creating APCS is complexity, i.e. considering the most important factors that influence control problems in their interrelation, as well as evaluating interrelation ^a decisions. This principle considers the task of TP control more broadly, to begin with creating APCS effective work prerequisites using a number of principles when creating technological units, timing production startup processes and maintaining control via TP DAS.
Conditions of implementing the suggested approaches to IS creation
New ways of industrial system control are impossible to introduce without fulfilling a number of conditions for successful implementation of the project.
1. Priority of work.
A.First, it is rational for engineering-technological service workers to perform operations of technological design unification.
B.Along with the abovementioned, it is possible to balance production facilities. It should be noted that work listed in A and B is to be regular.
перевод 3:
Создание предпосылок для эффективного управления технологическим процессом на стадии его развития означает подчинение целей проектирования целям промышленной системы в контексте сроков реализации контрактов, а также устранение узких мест в технологических единицах (см. также принципы 2 и 3).
Иерархическая организация процедур означает организацию проектного потока методом декомпозиции. Это естественно для человеческого мышления и позволяет экспертам оценивать результаты в их натуральном состоянии.
Гибридный способ основан на следующем. На каждом уровне проектного разложения TP DAS генерируется несколько возможных решений. После этого, основываясь на своем опыте и интуиции, проектировщик оценивает и выбирает одно или несколько рациональных решений для последующей детализации. Это связано с тем, что решения на верхних уровнях разложения не всегда могут быть оценены по понятным параметрам (производственные затраты, производительность и т.д.). Высший уровень подразумевает выбор одного решения.
Особое внимание должно быть уделено определению типа цели технологического процесса. В этом случае группа экспертов (нанимаемые предприятием работники сферы услуг) принимает согласованное решение по определенному алгоритму [7].
Принципы создания APCS в рамках интегрированных систем
Современные тенденции развития машиностроительной отрасли [8, 9] включают полный контроль качества (TQC) или полное управление качеством (КУК), полное техническое обслуживание оборудования (TQM) и систему продукции "точно в срок" (JIT).
Эти компоненты обеспечивают создание бережливого производства, включающего в себя производство в сроки, определенные ECS и выполняемого с минимальными затратами.
Система JIT зависит от APCS, которая должна принимать решения, направленные на сокращение общего производственного цикла.
Приверженность принципам должна обеспечить семантическое единство процессов планирования и контроля процедур AS TPC.
Первый принцип создания APCS - это принцип единства системы и взаимосвязи. Это предполагает индивидуальный подход ко всем агентам APCS и позволяет идентифицировать APCS как независимую организацию, сохраняющую свойства целостности.
Вторым принципом создания APCS является приведение иерархии планов и точности управления в соответствие с точностью плана предприятия. Согласно системному подходу, принцип точности означает, что точность плана должна повышаться по мере того, как план становится более детальным.
Третий принцип создания APCS - непрерывность управления за счет обратной связи от ECS и технологических блоков (TU) и эффективность за счет элементов искусственного интеллекта. Контрольные решения должны приниматься с минимально допустимым временем реагирования. Скорость отклика APCS определяет интервал обнаружения дисбаланса плана (обратная связь) и скорость выполнения вычислений.
Четвертый принцип создания APCS - обеспечение плановых резервов. Резервы необходимы для планов, разрабатываемых APCS. Алгоритмы расчета должны включать в себя оценку ситуации в технологических единицах. Это означает наличие в APCS агента широкого планирования (WS) для построения маржинальной мощности технологических узлов в календарях и графиках (CS). При определении запасов следует учитывать, что они не могут быть слишком большими, иначе планы окажутся неточными. В то же время, слишком маленькие резервы могут привести к частым изменениям в планах компании в целом, что приведет к разрушению контрольных точек в ее деятельности.
Пятый принцип создания APCS заключается в том, что APCS должна планировать интерактивный гибридный режим с вовлечением людей в процесс управления и приобретением дополнительных управленческих ресурсов. Планирование и управление APCS состоит из нескольких этапов: широкое планирование, планирование, оперативное планирование и ручной контроль (управление). Первые три этапа итеративны. На каждом итеративном этапе и после завершения этапа система предлагает возможные решения. Группа экспертов анализирует и оценивает их. На этапе ручного контроля эксперты анализируют и оценивают возможные управленческие решения в конце каждого интервала оперативного планирования. Наиболее рациональное решение принимается с использованием нечетких множеств [10-12].
Шестой принцип создания APCS - это комплексность, т.е. учет наиболее важных факторов, влияющих на проблемы управления во взаимоотношениях между ними, а также оценка взаимосвязи между решениями ^a. Данный принцип рассматривает задачу управления TP в более широком смысле, начиная с создания предпосылок эффективной работы APCS с использованием ряда принципов при создании технологических установок, синхронизации процессов пуска производства и поддержания контроля через TP DAC.
Условия реализации предложенных подходов к созданию ИБ
Внедрение новых способов управления промышленной системой невозможно без выполнения ряда условий для успешной реализации проекта.
1. Приоритет работы.
A.Во-первых, работникам инженерно-технических служб рационально выполнять операции по унификации технологического проектирования.
B.Наряду с вышесказанным, возможна балансировка производственных мощностей. Следует отметить, что работы, перечисленные в разделах А и В, должны быть регулярными.
C.Developing of mechanisms for manufacturing preparation management aimed at industrial system operation cycle reduction due to simultaneous performing work at the joint of the following stages: (a) designing preproduction - manufacturing preparation, and (b) manufacturing preparation - organizational and managerial preproduction.D.Introducing of the concept of technological process organizational and technological designing. Surprisingly, the main difficulty in its implementation is to accustom the head of a company industrial system to clearly and accurately formulate a target designation when fulfilling an order, which points a TP objective.
The second difficulty is the need to systematically monitor machine load, which adds some work to the monitoring service.
2.Training shop management personnel, especially line crew and operations control heads. The role of this group in multiproduct manufacture is very important, therefore their skill requirements are enormously high. They have to be able to make managerial decisions. The main task of personnel training is to teach them manufacturing production run and production facilities control as in practice there are no suitable shopfloor automation control systems like the SCADA system for multiproduct manufacture.
6.The last and perhaps most difficult task is to make all those involved into a production process (designers, engineers, shop management personnel, workers) feel corporate responsibility. Practice shows that here it is impossible to do without forming a certain corporate culture and using worker encouragement methods, not punishment.
Result discussion
As it can be seen, the paper has three main points: 1) reducing response time (from the point of time factor) when making decisions in a developed integrated automated system; 2) improving the quality of the decisions made and their compliance to production conditions; 3) ensuring the achievement of a single global goal in pre-production engineering and technological process control.
The experience of multiproduct manufacture industrial system shows that the time for developing technological process and preparing control programs for machine tools with numerical program control should be reduced by factor of 3-4 comparing with serial manufacturing. Increasing the number of engineers of this level is not the best way to solve the task. Therefore, the approach suggested in the paper with its aim to in-tellectualize engineering work seems the most effective way to increase its productivity.
Along with the availability of information connection with an automated control system, it will allow increasing and maintaining appropriate designed technologies quality due to the availability of training and design elements, taking into account the current situation in production units. At the same time, due to the use of less loaded equipment for technological process realization, there are prerequisites for effective production work.
In multiproduct science-intensive machine building and instrument making, master production schedules for the next calendar year at the end of a current year are typically formed by 40-60 %. The main amount of work (excluding small orders) is known only by August or September.
This means being constant engaging in revising calendar plans and schedules. Existing industrial control systems do not allow reacting to plan changes quickly enough, which leads to the growth of management personnel number. The suggested approach is based on informational and algorithmic matching of plans at all levels. It allows automatic searching for capacity reserves starting with local plans and, if necessary, adjusting plans of higher levels.
Taking into account the range of tasks solved by the integrated system, its architecture is service-oriented. This ensures real-time information interaction of various services specialists (technologists, management personnel of various levels, industrial system head) and the involvement of production units' foremen into decision-making procedures.
The unified target designation in an automated system is ensured by the fact that the objective when designing technological processes, as well as order priority when controlling technological processes is determined based on calendar timing of an order and its cost.
Conclusion
The paper suggests approaches that have all been tested and implemented in phases. They have become a basis for the software that has shown its worth on one of the enterprises of instrument making.
перевод 5 часть:
C.Разработка механизмов управления подготовкой производства, направленных на сокращение цикла работы промышленной системы за счет одновременного выполнения работ в рамках следующих этапов: (а) проектирование предпроизводственной подготовки производства - подготовка производства и (б) подготовка производства - организационно-управленческая подготовка производства.
D.Внедрение концепции организационно-технологического проектирования технологических процессов. Удивительно, но главная трудность в его реализации - это приучить руководителя производственной системы предприятия четко и точно сформулировать целевое назначение при выполнении заказа, которое указывает на цель TP
Вторая трудность заключается в необходимости систематического мониторинга нагрузки на машину, что добавляет определенную работу в службу мониторинга.
2.Обучение персонала цеха управления, особенно линейного персонала и руководителей производственного контроля. Роль этой группы в многопрофильном производстве очень важна, поэтому их требования к квалификации чрезвычайно высоки. Они должны уметь принимать управленческие решения. Основной задачей подготовки кадров является обучение их управлению технологическим процессом производства и производственными мощностями, так как на практике нет подходящих систем автоматизации производства, таких как SCADA система для многопрофильного производства.
6.Последняя и, пожалуй, самая трудная задача - заставить всех участников производственного процесса (проектировщиков, инженеров, менеджеров цехов, рабочих) почувствовать корпоративную ответственность. Практика показывает, что здесь невозможно обойтись без формирования определенной корпоративной культуры и использования методов поощрения работников, а не наказания.
Обсуждение результатов
Как видно, в статье есть три основных момента: 1) сокращение времени реагирования (с точки зрения времени) при принятии решений в развитой интегрированной автоматизированной системе; 2) повышение качества принимаемых решений и их соответствия условиям производства; 3) обеспечение достижения единой глобальной цели в области предпроизводственного инжиниринга и управления технологическими процессами.
Опыт промышленной системы многопрофильного производства показывает, что время на разработку технологического процесса и подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ должно быть сокращено в 3-4 раза по сравнению с серийным производством. Увеличение числа инженеров такого уровня - не лучший способ решения поставленной задачи. Поэтому предложенный в документе подход, направленный на интеллектуализацию инженерной работы, представляется наиболее эффективным способом повышения ее производительности.
Наряду с наличием информационной связи с автоматизированной системой управления, это позволит повысить и поддерживать качество соответствующих проектируемых технологий за счет наличия элементов обучения и проектирования с учетом текущей ситуации на производственных объектах. В то же время, использование менее нагруженного оборудования для реализации технологического процесса создает предпосылки для эффективной производственной деятельности.
В многопрофильном наукоемком машиностроении и приборостроении мастер-графики производства на следующий календарный год в конце текущего года обычно формируются на 40-60%. Основной объем работ (за исключением мелких заказов) известен только к августу или сентябрю.
Это означает постоянное участие в пересмотре календарных планов и графиков. Существующие системы производственного контроля не позволяют достаточно быстро реагировать на изменения в плане, что приводит к росту численности управленческого персонала. Предлагаемый подход основан на информационном и алгоритмическом согласовании планов на всех уровнях. Это позволяет осуществлять автоматический поиск резервов мощности, начиная с локальных планов и, при необходимости, корректировать планы более высокого уровня.
С учетом спектра задач, решаемых интегрированной системой, ее архитектура сервис-ориентирована. Это обеспечивает оперативное информационное взаимодействие специалистов различных служб (технологов, управленческого персонала различных уровней, руководителей промышленных систем) и вовлечение мастеров производственных подразделений в процесс принятия решений.
Единое целевое назначение в автоматизированной системе обеспечивается тем, что цель при проектировании технологических процессов, а также приоритет заказа при управлении технологическими процессами определяется исходя из календарных сроков заказа и его стоимости.
Заключение

В документе предлагаются подходы, которые были опробованы и внедрены поэтапно. Они стали основой программного обеспечения, показавшего свою ценность на одном из предприятий приборостроения.
КиберЛенинка: https://cyberleninka.ru/article/n/principles-of-creating-hybrid-integrated-automated-systems-of-technological-process-design-and-control
https://cyberleninka.ru/article/n/principles-of-creating-hybrid-integrated-automated-systems-of-technological-process-design-and-control