НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

 УДК 535; 59.03; 62; 681.2; 519.178

МГТУ им. Н.Э. Баумана

vnemtinov@mail.ru;  vbnemtinov@bmstu.ru

aaamizhirnov@mail.ru

thefrost@list.ru

В приборостроении ведущая роль принадлежит проектным работам. Результатом проектирования служит полный комплект технической документации – документный прообраз еще не существующего технического объекта. Он содержит сведения, достаточные для изготовления объекта в заданных условиях. Процесс проектирования нового прибора и последующий анализ его свойств является весьма трудоёмкой задачей. Её эффективному решению способствует применение проектных графовых моделей, разработанных в рамках структурной теории оптико- и лазерно-электронных систем (ОиЛзЭлнС), созданной В.Б.Немтиновым [1].

Графовые целевые функции задачи проектирования. Имеющийся опыт построения технических объектов показывает, что в основе этого процесса лежит построение семи факторных этапов [2]. Формулировка задачи проектирования начинается с идентификации порядка разработки этих этапов с помощью исходных графовых целевых функций. На физико-техническом языке каждая целевая функция представляет собой проектную маршрутную карту, которая задаёт цель проектирования как этапный графовый путь. В частности, первая графовая целевая функция (рис. 1) в виде канонической общей простой септарной орцепи проектной реализации этапно-модельного синтеза (ЭМС) описывает формирование комплекта технической документации и, тем самым, задаёт разрабатываемый проект как графовую цель.

Орцепь включает в себя семь этапов:1₇ – документно-постановочный (ДтПост); 2₇ – документно-схемный (ДтСх); 3₇ – структурно-поведенческий математический (СтрПоведнчМатем); 4₇ – компьютерно-предметный (КмптрПредм); 5₇ – компьютерно-математический (КмптрМатем); 6₇ – документно-конструкторский (ДтКонстр); 7₇ – документно-технологический (ДтТехнлг). С помощью этих этапов создаётся методология проектной реализации ЭМС, которая является концептуально-графовым математическим прообразом процесса проектирования. Физико-технический смысл ЭМС состоит в последовательном прохождении этапов септарной орцепи и наполнении их моделями за счёт введения как прямых рёберных связей от этапов к моделям, так и обратных рёберных связей от моделей к этапам [2].

В результате септарная графовая целевая функция (рис. 1) задаёт итоговый концептуально-знаковый модельный прообраз технического объекта (проект) в виде предварительного модельного наполнения каждого синтезируемого этапа. В рамках эквивалентного матричного представления (рис. 2) общей простой септарнойорцепи дано детальное описание основных модельных компонент, которые необходимо прорабатывать в процессе проектирования. При этом содержание этапов орцепи детально раскрывается с помощью матричных элементов, наполняющих конкретикой цель проектирования.

Это, прежде всего, известные модельные представления большинства разрабатываемых оптико-электронных приборов: ТЗ, стадии проектирования, параметры и характеристики, схемы и т.п. В результате появляется возможность в наглядном виде на модельном языкевизуализировать процесс проектирования технического объекта как процесс накопления комплекта технической документации от исходного когнитивного замысла до разработки конструкторской и технологической документации. На каждом этапе создаются модели определённого класса в соответствие с контекстом матричного элемента.

Однако основным недостатком простой орцепи является отсутствие обратных связей между этапами проектной реализации ЭМС [3]. Современный уровень сложности процесса проектирования любого прибора с целью его оптимизации требует введения прямых и обратных межэтапных рабочих связей, что корректно можно осуществить только на графовом языке.Тот факт, что информация о пройденном этапе не обязательно сразу должна поступать на следующий этап, а может использоваться для коррекции любого из предыдущих и/или последующих этапов, идентифицируется с помощью циклического  или полного регулярного  семиэтапных графов (рис. 3).

Введение прямых и обратных межэтапных связейв семиэтапной орцепи начинается с построения второй графовой целевой функции в виде семиэтапных проектных графов  и  ЭМС. Циклический семиэтапныйпроектный граф  подчёркивает замкнутый характер проектного ЭМС (рис. 3а)и, в частности, показывает, что заключительные шестой конструкторский и седьмой технологический этапы могут привести к существенному изменению в постановке задачи проектирования. Кроме того, из анализа графа  следует, что введение такой естественной замыкающей обратной связи "Документно-технологический – Документно-постановочный этапы" подчёркивает необходимость задания всех дополнительных обратных связей между различными этапами. Для идентификации всех прямых и обратных межэтапных связей в общей простой проектной орцепи (рис. 1) переходят к полному регулярному проектному семиэтапному графу  ЭМС (рис. 3б). Так как граф  имеет 7 рёбер, а граф  – 21 ребро, то возникает ещё 14 дополнительных неучтённых обратных связей. Обратные связи стадий разработки вводятся на рис. 4.

В соответствии с ГОСТами построение простой септарной орцепи (рис. 1) проектной реализации этапно-модельного синтеза ОптЭлнС проводится для одной из пяти стандартизуемых стадий разработки, которые задают проектный вход для графовой методологии проектирования. К ним относятся: 1) техническое предложение; 2) эскизный проект; 3) технический проект; 4) рабочая конструкторская документация (КД); 5) опытно-конструкторская работа (ОКР). Для задания прямых и обратных связей между пятью стадиями разработки и установления их связей с проектными этапами вводят третью графовую целевую функцию в виде композиционного графа (рис. 4), состоящего из двух подграфов: постановочного звёздного графа  стадий разработки и полного проектного графа .

На основе введённых графовых целевых функций процесс проектирования сводится к модельному наполнению каждого синтезируемого этапа септарной орцепи (рис. 1) и эквивалентного матричного представления (рис. 2) с учётом всех прямых и обратных межэтапных связей (рис. 3 и 4). Для наполнения этого подхода физико-техническим смыслом рассмотрим в рамках технического проекта проектирование оптико-электронного сканирующего устройства кругового обзора пространства (ОЭСУ КОП).

На основе первого документно-постановочного этапа ЭМС, прежде всего, формулируется ТЗ, с помощью которого последовательно анализируются пять стандартизуемых стадий разработки (рис. 4). В рамках рассмотрения технического предложения осуществляется подбор конструкторских документов (КД), которые должны содержать технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации на основе сравнительного анализа данных ТЗ и различных вариантов возможных решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей. Техническое предложение является фундаментом для разработки эскизного и технического проектов.

Эскизный проект – это совокупность КД, которые должны содержать принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а также данные о назначении, основных параметрах и габаритных размерах. Он является основанием для перехода к техническому проекту или рабочей КД.

КД технического проекта содержит окончательные технические решения, которые дают полное представление об устройстве разрабатываемого изделия, и включает в себя исходные данные для разработки рабочей КД.

Рабочая КД предназначена для изготовления и испытания опытного образца (опытной партии) или серийного (массового) производства. Она разрабатывается с целью: 1) проверки принципов работы изделия или его составных частей на стадии эскизного проекта; 2) проверки основных конструктивных решений изделия на стадии технического проекта; 3) предварительной проверки целесообразности изменения отдельных частей изготавливаемого изделия до внесения этих изменений в документы опытного образца.

Опытно-конструкторская работа (ОКР) – это комплекс работ, выполняемых на основании ТЗ, по созданию конструкторско-технологической документации, изготовлению и испытаниям опытных и мелкосерийных образцов продукции, предшествующий запуску нового продукта или системы в промышленное производство.

ТЗ является исходным описанием (первичным документным прообразом) технического объекта в виде оптико-электронного сканирующего устройства кругового обзора пространства (ОЭСУ КОП). Оно определяет постановку задачи: что компенсируется (поворот изображения относительно оптической оси); как компенсируется (поворотом оптического элемента); чем компенсируется (призмой Пехана); какова оценка погрешностей метода сканирования. В рамках ТЗ задаются все исходные данные, и оговаривается проектный результат ЭМС – конструкторско-технологическая документация.

В рамках ТЗ дополнительно ставится задача поиска оптимальных путей проектирования с учётом прямых и обратных межэтапных связей и веса каждого этапана основе принципиально нового этапного количественного критерия качества проектирования.

На втором документно-схемном этапе ЭМС построены схемные модели, идентифицирующие поведение оптико-электронной системы кругового обзора пространства. Разработана исходная структурная схема оптико-электронной системы (рис. 5). Предложена функциональная оптическая схема системы на основе панорамы Герца с использованием призмы Пехана (рис. 6). Построена структурно-функциональная схема системы, описывающая процесс сканирования и компенсации поворота изображения (рис. 7).

Принцип действия устройства поясняют рис. 5 – 7 с единой нумерацией позиций. Объектив 5.1 формирует изображение анализируемых объектов пространства в передней фокальной плоскости окуляра 5.2. Для компенсации поворота изображения при вращении зеркала (призмы) 2 используется призма Пехана 3, которая с помощью двигателя 16 через редуктор (шестерни 6 – 13) поворачивается вместе с этим отражателем на угол в два раза меньший. Для изменения направления вращения включается реверс двигателя с помощью переключателей 17. В пределах поля зрения оптической системы дисайдер (рис. 5) наблюдает либо визуальное изображение через окуляр (рис. 5.2), либо изображение объекта на экране индикатора 18, полученное с использованием ИК-приёмников излучения (рис. 7).

На третьем структурно-поведенческом математическом этапе проектного ЭМС построена структурная схема (рис. 8) простейших расчётно-формульных моделей поведения (РсчтФормулнМП) в виде набора формул для проведения кинематического, силового и геометрического расчётов. С учётом рис 7 определяются угол поворота потенциометра 15, ход гайки группы переключателей 17, параметры редуктора, мощность двигателя 16, габариты призмы Пехана 3.

На четвертом компьютерно-предметном и пятом компьютерно-математическом этапах ЭМС на основе построенных моделей выполняются габаритный, кинематический и точностной расчёты оптико-электронной системы кругового обзора пространства с помощью программы "MathCAD".

На шестом документно-конструкторском этапе ЭМС в рамках технического проекта вырабатываются требования к конструкции узлов стенда. Разрабатываются чертёж общего вида, габаритно-монтажный чертеж, чертежи сборочных единиц и рабочая КД.

На седьмом технологическом этапе проектного ЭМС строится структурная схема сборки узла компенсации поворота изображения.

Таким образом, в результате проведения проектного ЭМС осуществлено наполнение конкретными моделями матричных элементов для всех синтезируемых этапов общего матричного представления, приведённого на рис. 2. На его основе построено конкретное матричное представление для оптико-электронной сканирующей системы кругового обзора пространства (рис. 9),содержащее все разработанные модельные представления: постановочные, схемные, математические, компьютерные, конструкторско-технологические.

Оптимизация путей проектирования на основе идентификации критериев качества с помощью графовых обратных связей. В рамках структурной теории ОиЛзЭлнС, созданной В.Б. Немтиновым, параметры (критерии) качестваKлюбой системы – это отношения различной арности на специфических множествах: внешних (в частности, входных и выходных сигналов) и внутренних параметров и характеристик [4]. Например, это бинарная связь массы с габаритами, разрешения с контрастом, а также затрат с экономической эффективностью.

В общем случае, затраты идентифицируют вес (значимость) каждого этапа, который определяется: 1) израсходованным временем проработки этапа;2) видом и количеством используемых на этапе моделей;3) числом принимаемых на нём решений (подэтапов);4) количеством прямых и обратных межэтапных рабочих связей;5) совокупностью выходных параметров и характеристик; 6) финансовыми затратами. На графовом языке вес каждого этапа интерпретируется как длина отходящего ребра.

Особое значение при определении требуемого времени и финансовых затрат в процессе построения прибора имеет тот факт, сколько, какие модели и в каком порядке используются (например, "затраченное время – количество прямых и обратных межэтапных рабочих связей").

В рамках выполнения технического проекта найдены веса некоторых прямых и обратных межэтапных переходов в виде времени, затраченного на их проработку. В качестве примера на рисунке 10 часы задан вес отдельных отходящих рёбер в часах, найденных в результате оценки времени проработки этапа.

В разрабатываемом узле компенсации поворота изображения в системе особый интерес представляет подузел оптического элемента на основе призмы Пехана. Он состоит из собственно призмы в сборе, крепежного стакана, зубчатого люфтовыбирающего колеса, выполненного в виде полого вала с выступом, подшипника, крепежных колец и установочной втулки. С целью поиска оптимальных путей синтеза с учётом веса каждого этапа рассмотрено применение метода графовых обратных связей для устранения двух технических противоречий при проектировании этого подузла. Для их устранения используются расчётно-формульные модели поведения (рис. 8).

Проблема 1.На документно-конструкторском этапе 6 (рис. 11а) при изготовлении чертежа зубчатого колеса в результате расчёта возникает первое техническое противоречие: расчётный паз b для крепления пружины выходит за пределы выступа В на колесе (рис. 11).

Для устранения этой проблемы устанавливаются связи между этапом 6 (недостаточная ширина выступа В для размещения пружины), структурно-поведенческим математическимэтапом 3 (на нём определяются формулы для пересчета диаметра колеса) и компьютерными этапами 4 и 5 (собственно вычисления). С этой целью используется графовая обратная связь 6→3 на рис. 11а. На этапе 3 определяем расчётно-формульный оператор для нахождения делительного диаметра ДД колеса, идентифицируемый на основе алгоритма для вычисления ширины паза под пружину люфтовыбирающего колеса, так что

.                                       (1)

С помощью формулы (1) вычисляем новый, увеличенный ДД колеса, устраняющий возникшее техническое противоречие.

Проблема 2. При переходе от документно-конструкторского этапа 6 к документно-технологическому этапу 7 (рис. 11б) возникает второе техническое противоречие, связанное с невозможностью закрепления узла призмы Пехана на установочной плате редуктора. Это приводит к невозможности раздельной сборки редуктора и узла призмы Пехана из-за увеличения диаметра люфтовыбирающего колеса. Новый ДД колеса d превышает диаметр отверстия D_о в плате, в которое вставляется узел оптической призмы. Для решения этой проблемы возвращаемся по графовому пути 7→3 к структурно-поведенческому математическому этапу 3. С помощью расчётных формул (2) и (3), идентифицируемых с помощью алгоритма для вычисления диаметра отверстия D_о по диаметру колеса d, находим новый диаметр отверстия D_о и внешний диаметр втулки D_В соответственно, так что

,                                                                       (2)

.                                                        (3)

В рамках компьютерных этапов 4 и 5 определяются искомые размеры, на основе которых на этапе 6 выполняется чертеж платы. В итоге на документно-технологическом этапе 7 устраняется противоречие технологического процесса сборки.

Выводы

Во-первых, на основе четырёх графовых целевых функций, представляющих собой проектные маршрутные карты, разработана инженерно-графовая методика проектирования ОЭСУ КОП. Она даёт возможность разработчику при отсутствии опыта проектирования подобных устройств увидеть, с чего надо начинать разработку, в какой последовательности двигаться и как с помощью межэтапных обратных связей можно, нужно и должно устранять встречающиеся технические противоречия. Фактически инженерно-графовая методика проектного ЭМС – это технический протокол защиты грамотного проектирования.

Во-вторых, в рамках принципиально нового этапного количественного критерия качества процесса проектирования в виде весовых коэффициентов прорабатываемого этапапроведена оптимизация этого процесса. Построен оптимальный путь проектирования ОЭСУ КОП в результате оптимизации весовых этапных коэффициентов за счёт минимизации числа обратных связей.

В-третьих, рассмотренная качественно новая инженерно-графовая методика ЭМС служит модельным фундаментом идентификации, формализации, систематизации и автоматизации процесса проектирования.

Список использованных источников

1. Немтинов В.Б. Структурная теория оптико и лазерно-электронных систем. Ч.1. Модельное представление системы // Вестник МГТУ. Приборостроение. – 1993. – №1. – С. 58-73.

2. Немтинов В.Б. Модельные факторы структурной теории оптико- и лазерно-электронных систем // [Электронный журнал "Наука и образование: электронное научно-техническое издание".] - № 0420800025/0016, вып. 4 (2008). 2008// http://technomag.edu.ru/doc/89026. html

3. Немтинов В.Б., Сандригайло А.Ю. Инженерно-графовые методики проектирования, изготовления, экспериментальных испытаний и эксплуатации оптико- и лазерно-электрон­ного прибора как реализации полного модельного синтеза системы. // Лазеры в науке, технике, медицине: Сб. научных трудов. Том 20 / Под ред. В.А.Петрова. – М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 2009. – С. 20-24.

4. Немтинов В.Б. Элементы научных основ современного лазерно-электронного приборостроения. // Лазеры в науке, технике, медицине: Сб. научных трудов. Том 21 / Под ред. В.А.Петрова. – М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 2010. – С. 144-152.