Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Первая фаза реинжиниринга процесса нивелировки -"организационные мероприятия по совершенствованию" 10
1.1. Анализ требований потребителей к летательным аппаратам 12
1.2. Классификация требований к точности геометрических параметров 13
1.3. Определение систем координат агрегатов ЛА 15
1.4 Нормирование нивелировочных параметров ЛА 18
1.5. Анализ состояния параметров процесса ТС нивелировки 19
1.5.1. Процесс юстировки посадочных мест пилотажно-навигационного оборудования метеорологического спутника серии "Купон" 20
1.5.2. Процесс определения геометрических параметров приборно-герметичного отсека ФГБ МКС "Альфа" 22
1.5.3. Контроль нивелировочных параметров самолета ТУ-154 24
1.6. Оценка параметров надежности ТС нивелировки 28
1.7. Определение направлений совершенствования процесса 30
1.8. Компьютер-интегрированное производство СІМ 31
1.8.1. Обзор состояния систем автоматизированного проектирования и производства CAD/САМ 31
1.8.2. Определение платформы информационной реализации результатов исследования 32
1.8.3. Тенденции развития технологического процесса нивелировки ЛА 33
1.9. Цели и задачи исследования 35
Заключение по первой главе 36
Глава 2. Вторая фаза реинжиниринга процесса нивелировки - "понимание процесса" 37
2.1. Инжиниринг технологического процесса нивелировки 37
2.2. Причины возникновения погрешности обеспечения и определения взаимного расположения агрегатов ЛА 43
2.3. Классификация размерных связей технологических процессов 48
2.4. Методы расчета размерных связей различных типов 52
2.5. Выбор метода исследования размерных связей процесса нивелировки 54
2.6. Существо предлагаемого метода имитационного моделирования размерных связей процесса нивелировки 56
Заключение по второй главе 56
Глава 3. Третья фаза реинжиниринга процесса нивелировки -"совершенствование процесса" 58
3.1. Исходные предпосылки имитационного моделирования размерных связей процесса нивелировки 58
3.2. Обоснование выбора вида модели размерных связей процесса 61
3.3. Определения геометрического состояния ЛА при известном взаимном расположении БСК агрегатов 66
3.4. Математическое описание размерных связей процесса 68
3.5. Имитационная модель размерных связей процесса нивелировки 71
3.6. Основные положения содержательного описания имитационного моделирования размерных связей 74
3.7. Формализованные этапы имитационного эксперимента 75
3.7.1.Методика моделирования координат реперных точек 76
3.7.2. Моделирование координат реперных точек на ЭВМ 80
3.7.3. Реализация моделирующих операторов и статистическая обработка массива значений выходных параметров 81
3.7.4. Вывод результатов имитационного эксперимента 85
3.8. Ограничения использования разработанной методики 86
3.9. Локальный и интегральный подход при нормировании и определении взаимного расположения частей и агрегатов ЛА 88
3.10. Автоматизация имитационного моделирования размерных связей процесса нивелировки 90
3.11. Функциональные возможности и особенности приложения 91
3.12. Информационная поддержка процесса нивелировки 96
Заключение по третьей главе 105
Глава 4. Четвертая фаза реинжиниринга - "внедрение, измерение, контроль" .. 107
4.1. Оценка достоверности результатов имитационного моделирования размерных связей процесса нивелировки 107
4.1.1. Общие принципы оценки статистической совместимости результатов моделирования с данными натурных измерений 109
4.1.2. Обоснование адекватности математической модели 110
4.1.3 Оценка достоверности моделирования случайных координат реперных точек 111
4.2. Практическое использование информационной поддержки 115
4.2.1 Пример применения разработанной информационной поддержки при проектирования технологического процесса нивелировки возвращаемой баллистической капсулы 117
4.2.1.1. Описание функционального назначения и конструкции возвращаемой баллистической капсулы 117
4.2.1.2. Формирование требований по точности к проектируемому технологическому процессу нивелировки ВБК 118
4.2.1.3. Проектирование технологического процесса нивелировки ВБК 120
4.2.2. Пример применения разработанной информационной поддержки при нивелировке самолета Як-18т 123
4.2.3. Пример применения разработанной информационной поддержки при нивелировке самолета Ил-96 129
4.3. Оценка экономической эффективности применения информационной поддержки 134
4.3.1. Экономический эффект применения информационной поддержки процесса - этап сборки ЛА 136
4.3.2. Экономический эффект применения информационной поддержки процесса - этап летных испытаний ЛА 137
4.3.3. Экономический эффект применения информационной поддержки процесса - этап контроля 139
4.4. Внедрение результатов работы 139
Заключение по четвертой главе 145
Выводы по работе 145
Список литературы 147
- Процесс определения геометрических параметров приборно-герметичного отсека ФГБ МКС "Альфа"
- Существо предлагаемого метода имитационного моделирования размерных связей процесса нивелировки
- Основные положения содержательного описания имитационного моделирования размерных связей
- Описание функционального назначения и конструкции возвращаемой баллистической капсулы
Процесс определения геометрических параметров приборно-герметичного отсека ФГБ МКС "Альфа"
Конструктивно-компоновочная схема функционально-грузового блока (ФГБ) включает приборно-герметичный отсек (ПГО) и герметичный адаптер (ГА), разделенные между собой герметичным сферическим днищем.
В ПГО размещается оборудование служебных систем, систем стыковки, жизнеобеспечения, электроснабжения, предусматривается место для установки грузов и научного оборудования, а в ГА - оборудование механической стыковки.
Кроме ПГО и ГА в состав ФГБ входят головной обтекатель, сбрасываемые после прохождения плотных слоев атмосферы, и промежуточный отсек, который остается с верхней ступенью ракетоносителя после отделения ФГБ.
При контроле геометрических параметров ПГО определению подлежат следующие параметры (рис. 1.5):
неперпендикулярность плоскостей А, В продольной оси изделия;
закрутка сечения В относительно сечения Б.
Изделие передается для контроля без стыковочного агрегата. Нивелировка производится с помощью теодолита и линейки с поворотом вокруг продольной оси на бандажах по четырем плоскостям стабилизации.
На шпангоуты ПГО с сечениях А, Б, В надеваются технологические бандажи. В месте расположения следов плоскостей стабилизации в бандажах выполнены специальные базовые отверстия. На базовые отверстия бандажей навешиваются нивелировочные линейки, а нивелир устанавливают таким образом, чтобы через его зрительную трубу можно было наблюдать эти линейки. Затем выставляют теодолиты, необходимые для контроля неперпендикулярности торцевых шпангоутов продольной оси отсека. Для этого в базовые отверстия, пробитые в полу цеха, устанавливают две линейки. По линейкам теодолиты увязывают друг с другом так, что их оси визирования "проходят" по равным отсчетам на линейках. Далее по центрам сечений плоскостей А и Б выставляют продольную ось изделия параллельно плоскости горизонта. Для этого нивелиром снимаются отсчеты по линейкам, установленным в базовые отверстия бандажей по следам плоскости стабилизации II - IV, определяют разницу в показаниях линеек и выставляют задний бандаж по равным отсчетам на линейках поворотом изделия вокруг продольной оси. Центр сечения плоскости А выставляют так, что выполняется условие: полусумма отсчетов по линейкам на бандаже А равна отсчету по линейке на бандаже Б.
После выставки оси изделия " в горизонт" контролируют величину закрутки сечения В относительно сечения Б. Для этого в сечении плоскости В по следам плоскости стабилизации II - IV снимают отсчеты с линеек нивелиром. По закрутку сечения В относительно сечения Б определяют как полуразность отсчетов по линейкам в сечении В.
Для определения неперпендикулярности плоскостей А, В продольной оси изделия поочередно устанавливают линейки на торцы шпангоутов 1 и 8 в зоне следов плоскостей стабилизации II - IV и I - III снимают отсчеты теодолитами, предварительно увязанными между собой по линейкам в полу.
Далее поворачивают изделие на 180, повторяют измерения и вычисляют среднее арифметическое значение неперпендикулярности.
При нивелировке самолета производится контроль взаимного расположения частей планера и регулировка органов управления полетом.
На основании чертежа общего вида самолета была разработана его нивелировочная схема, в которой взаимное положение агрегатов определяется линейными или угловыми размерами по нивелировочным точкам. В нивелировочной схеме размеры определены с учетом деформаций конструкций под действием собственного веса. Для каждого самолета составляется таблица замеров, которая заносится в нивелировочный паспорт.
На рис. 1.6 и 1.7 показаны схемы расположения реперных точек планера самолета ТУ -154. Нивелировка производится на пустом самолете (с оборудованием и без горючего) после окончательной сборки. За нивелировочную плоскость фюзеляжа принимается плоскость, проведенная через точки на строительной горизонтали у шпангоутов № 18 и 66. Эти же точки служат для установки фюзеляжа в горизонтальное положение.
Существо предлагаемого метода имитационного моделирования размерных связей процесса нивелировки
Исследованием, применительно к системе или явлению, можно считать любое действие, по получению информации о системе или явлении.
По принципам проведения процессы получения информации можно разделить на четыре группы:
экспериментальные, осуществляемые техническими измерительными средствами;
расчетные, осуществляемые путем вычислений с помощью вычислительной техники;
органолептические, основанные на анализе восприятий органов чувств человека без применения технических измерительных средств;
экспертные, основанные на учете мнений группы специалистов-экспертов.
Как уже отмечалось выше, исследование размерных связей процесса нивелировки сейчас осуществляется в значительной степени на основе экспертных оценок путем анализа статистической информации, касающейся реализации процесса при производстве однотипных ЛА. Одним из недостатков этого подхода является невозможность оптимизации затрат на реализацию процесса.
Расчетным путем исследовать размерные связи процесса нивелировки, формализуя их размерными цепями и используя известные методы расчета размерных цепей нецелесообразно по причине невысокой точности такого расчета при значительных погрешностях углового расположения плоскостей, содержащих звенья размерной цепи. Основные трудности формализации размерными цепями пространст 55 венных размерных связей, к которым относятся размерные связи процесса нивелировки, возникают при проецировании звеньев размерной цепи на одну плоскость при неизвестном угле между плоскостями, в которых они расположены. При неизвестном угле между плоскостями свести пространственную размерную цепь к плоскопараллельной и применить один из методов расчета размерных цепей практически невозможно. Для этого необходимо принимать гипотезу об известном угле между плоскостями, что существенно снижает точность расчета.
Применять органолептический подход для исследований точностных характеристик размерных связей вообще неприемлемо.
Экспериментальный подход при получении информации об объекте исследования может быть реализован путем проведения либо натурного, либо имитационного эксперимента. Принципиальное отличие натурного от имитационного эксперимента заключается в том, что объектом исследования при натурном эксперименте является реальное изделие или его реальная модель, а при имитационном - абстрактная модель изделия.
Основной недостаток имитационного эксперимента по сравнению с натурным заключается в невозможности воспроизведения моделью всего спектра свойств, которыми обладает реальный объект. Необходимость исключения из рассмотрения при проведении имитационного эксперимента ряда свойств объекта исследования влечет за собой появление ошибки результатов имитационного эксперимента. Величина этой ошибки зависит от степени соответствия модели реальному объекту. И, безусловно, заключительным этапом имитационного эксперимента должна быть проверка достоверности полученных результатов, то есть степени соответствия результатов имитационного эксперимента, полученных при моделировании реальных воздействий на модель, результатам натурного эксперимента, полученных при воспроизведении действительных воздействии на реальный объект.
Если проверка достоверности результатов имитационного эксперимента - положительна, то реализованная имитация натурного эксперимента может быть использована для проведения дальнейших исследований объекта при количественных изменениях уровней воздействий на него.
Хотя имитационное моделирование уступает по точности и достоверности результатов натурному эксперименту, именно имитационное моделирование было выбрано в качестве основного метода исследования размерных связей процесса. Использование натурного эксперимента в данной задаче практически невозможно по причине значительных затрат на его реализацию, связанных с осуществлением огромного количества измерений координат реперных точек на реальном ЛА.
В работе [38] справедливо указывается, что имитационное моделирование готовит настоящий переворот в методологии и практике статистических методов обработки экспериментальных данных. При этом подчеркивается, что основой для этого может послужить рассмотрение вычислительного процесса как эксперимента, адаптирующегося к особенностям каждой конкретной задачи. Из чего ясно - единого имитационного моделирования различных процессов не существует, для каждой вероятностной системы необходимо проектировать свои конкретные методы имитационного моделирования (см. [33], [64]).
Для прогнозирования точности реализации технологического процесса нивелировки, предлагается применить метод имитационного моделирования, использующий в качестве моделирующих операторов уравнения аналитической и дифференциальной геометрии. Эти уравнения описывают размерные связи процесса.
В плане разработки имитационного моделирования размерных связей процесса нивелировки предстоит выполнить следующее:
сформулировать постулаты, необходимых для реализации имитационного эксперимента размерных связей процесса;
обосновать выбор вида модели, описывающей размерные связи процесса;
дать содержательное описание имитационного эксперимента;
предложить формализованное описание имитационного эксперимента в виде алгоритмов, необходимых для разработки программного приложения к системе автоматизированного проектирования и производства MicroStation.
Заключение по второй главе
1. Проведен инжиниринг процесса нивелировки на основе анализа существующих методов и средств обеспечения процесса. Определена совокупность работ, необходимых для реализации процесса ТС нивелировки. Выделены работы, подлежащие перепроектированию.
2. Выявлены причины возникновения погрешности обеспечения и определения нивелировочных параметров ЛА. Подчеркнуто, что источниками возникновения производственной погрешности формы и взаимного расположения агрегатов являются напряженно-деформированное состояние агрегатов, возникающее при их изготовлении и сборке, и технологическая наследственность - следствие родового недостатка плазово-шаблонного метода увязки. Источниками возникновения погрешностей определения нивелировочных параметров ЛА является невысокая точность материализации базовых систем координат агрегатов, вследствие экспертного подхода к проектированию технологического процесса нивелировки.
3. Изучены особенности размерных связей процесса нивелировки, подчеркнут их пространственный характер. Обоснован метод их исследования, в качестве которого было выбрано имитационное моделирования.
Основные положения содержательного описания имитационного моделирования размерных связей
Этапы проведения имитационного моделирования разделяются на неформальные и формализованные. Неформальные этапы имитационного эксперимента, как и любого эксперимента, осуществляются без каких-либо общих схем и алгоритмов, базируясь всецело на известных сведениях о рассматриваемой системе (априорной информации) и личном опыте экспериментатора. Формализованные этапы реализуются на ЭВМ по общим для каждого класса задач схемам и алгоритмам.
К неформальному этапу относится анализ априорной информации по моделируемой системе размерных связей процесса. Результатом анализа (в соответствии с первым постулатом) является выделение конечного числа факторов, достаточного для описания с заданной точностью и достоверностью исследуемого процесса. Общие рекомендации по определению интервалов варьирования входных параметров и назначению требований к точности оценок результатов имитационного эксперимента приведены в файле подсказки к приложению MSI - "Подсказка для MSI" (формат Microsoft Help File).
Формализованными этапами являются:
1. Подготовка исходных данных.
2. Реализация моделирующих операторов.
3. Вывод результатов имитационного эксперимента.
На первом этапе имитационного эксперимента формируется массив входных параметров - координат реперных точек. Полученные значения координат будут использованы для реализации моделирующих операторов. На втором этапе при реализации моделирующих операторов количество опытов (количество имитируемых измерений координат реперных точек), проводимых над моделью, определяется исходя из требований к точности и достоверности оценок параметров распределения угла между нивелировочными плоскостями.
Последний формализованный этап представляет собой процесс визуализации полученных результатов, реализующийся программными средствами в виде информационных потоков к устройствам ввода-вывода ЭВМ. Результаты, например, могут быть отображены на экран дисплея, выведены через последовательный или универсальный порт на принтер или графопостроитель, а также могут быть сформированы в отдельный файл на одном из накопителей (жесткий диск, магнитная дискета).
Объектом имитационного эксперимента при исследовании технологического процесса нивелировки является модель его размерных связей. Входными величинами являются координаты реперных точек, интервал их возможных отклонений и закон распределения внутри этого интервала, доверительные интервалы и вероятности точечных оценок параметров распределения угла между плоскостями, а также максимальное число итераций. Основное содержание этапа подготовки исходных данных имитационного эксперимента заключается в определении методики моделирования значений входных параметров - координат реперных точек.
Нормальный закон является предельным законом, и поэтому наиболее распространенным в природе. Нормальному закону подчиняются результаты, полученные в результате количественных измерений каких-либо величин. Иными словами, ошибки измерений подчиняются нормальному закону распределения (см. [35]). Случайность значения измеряемой величины обусловлена наличием случайной составляющей погрешности измерения.
Если отсутствует систематическая ошибка измерения, то математическое ожидание этой случайной величины равно истинному значению измеряемого параметра.
. Заданное, действительное и измеренное расположение поверхности агрегата:
- нивелировочная плоскость ABC характеризует заданное расположение поверхности агрегата;
- нивелировочная плоскость А В С характеризует действительное расположение поверхности агрегата;
- нивелировочная плоскость А"В"С" характеризует измеренное расположение поверхности агрегата. Равновероятный закон на заданной области определения случайной величины обладает наименее плотным из всех законов распределения группированием возможных значений случайной величины вокруг своего математического ожидания. Тогда очевидно, что при моделировании случайных величин входных параметров системы в своих областях определения по равновероятному закону выходные параметры будут обладать наибольшей дисперсией. Результаты исследований такой системы будут получены с некоторым запасом или, по крайней мере, дисперсия их рассеяния не будет меньше дисперсии рассеяния, полученной при проведении соответствующего натурного эксперимента. Естественно, последнее справедливо в предположении адекватности модели, используемой для проведения имитационного эксперимента.
Информация о законе распределения действительных значений координат реперных точек неизвестна. Известен может быть лишь закон распределения измеренных значений координат реперных точек. Информацию о нем можно получить путем многократного измерения какой-либо реперной точки.
Суммируя вышесказанное, можно сформировать план проведения исследования в рамках проведения имитационного моделирования:
1. Определение действительного расположения нивелировочных плоскостей, путем моделирования действительных координат реперных точек (см. рис. 3.7). В результате обработки массива выходных параметров можно получить информацию о точности задания нивелировочных плоскостей агрегатов ЛА.
2. Определение измеренного расположения нивелировочных плоскостей, путем моделирования измеренных координат реперных точек. В результате обработки массива выходных параметров можно получить информацию о точности материализации нивелировочных плоскостей агрегатов ЛА.
Описание функционального назначения и конструкции возвращаемой баллистической капсулы
Возвращаемую баллистическую капсулу, проектируемую в настоящее время на НПО "Энергия", предполагается задействовать в рамках научно-гуманитарного космического проекта "Встреча тысячелетий", предусматривающего запуск одной ракетой-носителем на низкую околоземную орбиту модуля с несколькими спускаемыми капсулами, средствами создания визуальных эффектов орбитального масштаба и научным оборудованием. Траектории выбраны таким образом, что в заданное время (Новый Год, Рождество, 8 марта) над определенными районами создаются искусственные светящиеся образования - "космический фейерверк", кроме того, в новогоднюю полночь в заданные точки Земли осуществляется прецизионная посадка спускаемых капсул со светскими и религиозными символами единства и достижений мирового сообщества с визуальными эффектами на различных участках траектории спуска.
Основой конструкции капсулы (рис. 4.1) является корпус ВБК (поз.1). Он состоит из переднего отсека (поз.2) с пристыкованным передним сегментально-сферическим днищем (поз.З) со специальными фланцами для датчиков и заднего отсека (поз.4). Полезный груз и научная аппаратура размещаются в герметичном отсеке возвращаемой баллистической капсулы (поз.5).
В хвостовой части капсулы размещается система исполнительных органов (поз.6) и блок электропитания, обеспечивающий работу научной аппаратуры капсулы. Также здесь находится вытеснительная емкость (поз.7), предназначенная для вытеснения парашютной системы, отсек парашютной системы (поз.8), закрытый крышкой (поз.9), которая установлена на пироболтах (поз. 10). Снаружи капсула покрыта теплозащитным покрытием (поз.11), изнутри для обеспечения оптимального режима работы научной аппаратуры предусмотрена теплоизоляция (поз. 12). Длина капсулы -1470 мм, диаметр - 780 мм.
Технологический процесс нивелировки ВБК заключается в определении действительного взаимного расположения переднего и заднего отсеков. Работы по определению взаимного расположения отсеков:
задание на чертеже ортогональных систем координат отсеков (БСК), определение месторасположения нивелировочных плоскостей и точек начала координат;
задание координат реперных точек, определяющих нивелировочные плоскости агрегатов;
измерение взаимного расположения реперных точек отсеков после их сборки;
вычисление взаимного расположения БСК отсеков.
Заданные БСК переднего и заднего отсеков ВБК представлены на рис. 4.2.
Точка начала координат БСК отсеков находится в центре окружности, описанной вокруг стыкового шпангоута двух отсеков. Две координатные плоскости совпадают с плоскостями стабилизации отсеков, третья координатная плоскость (общая для отсеков) есть привалочная плоскость стыкового шпангоута (рис. 4.2).
Рассматриваются плоскости стабилизации (I - III) переднего и заднего отсеков капсулы.
Реперные точки плоскостей стабилизации отсеков следует выбирать на внешней поверхности обшивки отсеков в местах расположения элементов подкрепляющего силового набора.
Представлена схема возможного расположения реперных точек на поверхности обшивки капсулы. Значения в таблице 4.8 даны в системе координат, показанной на рис. 4.3: ось абсцисс направлена вдоль оси капсулы, ось ординат перпендикулярна плоскости (І-ІІІ), ось аппликат дополняет до правой тройки.
Плоскость стабилизации (I - III) переднего отсека может быть определена точками 1, 2, 3, 4 и 5. Плоскость стабилизации (I - III) заднего отсека - 4, 5, 6, 7. Точки 4 и 5 расположены на шпангоуте стыка отсеков и используются для определения плоскостей стабилизации обоих отсеков. Такой выбор реперных точек рационален, поскольку сразу позволяет сократить их общее количество.
При проектировании процесса будет определено минимальное количество реперных точек плоскостей стабилизации (1-І II) переднего и заднего отсеков ВБК, при котором поле рассеяния погрешности определения угла между этими плоскостями с достоверностью 95% не превышает ±0,5.
Поставленная задача решается, с использованием разработанного приложения "MSI" по алгоритму на рис 3.18.
Определение точности задания нивелировочных плоскостей. Исходные данные имитационного эксперимента:
координаты реперных точек плоскостей стабилизации (I - III) по таблице;
интервал рассеяния действительных значений координат реперных точек ±1мм (закон распределения равновероятный);
доверительный интервал для оценки среднеквадратического отклонения ±0,05;
доверительная вероятность для оценки среднеквадратического отклонения - 95%;
число итераций - 400.
Определение точности материализации нивелировочных плоскостей. Исходные данные имитационного эксперимента:
координаты реперных точек плоскостей стабилизации (I - III) по таблице;
поле рассеяния погрешности измерения координат реперных точек ±0,5мм (закон распределения нормальный);
доверительный интервал для оценки среднеквадратического отклонения ±0,05;
доверительная вероятность для оценки среднеквадратического отклонения - 95%;
число итераций - 400.
Проведение имитационного эксперимента.
При проведении имитационного эксперимента подбирается такое расположе 121 ние реперных точек, при котором удовлетворялось бы требование по точности определения угла между плоскостями стабилизации (1-І II) переднего и заднего отсеков ВБК, а общее число реперных точек было бы минимальным.
