Управление жизненным циклом оптического прибора при помощи автоматизированных систем

Введение

Для высокотехнологичной продукции в оптико-электронном приборостроении характерен проектный метод в управлении. Это связано с отраслевой спецификой и уникальностью создаваемых изделий, следовательно, высокой инновационной активностью участников рынка. Актуальной научной задачей для высокотехнологической отрасли Российской Федерации является систематизация знаний в области управления инновационными проектами.

Одним из важнейших инструментов для эффективного управления бизнес-процессом производства оптических приборов является жизненный цикл изделия (ЖЦИ) [1, 2] (Galaev, Pobirskiy, Filimonov, 2012; Zakharov, Trofimov, Frolov, Novikov, 2019). ЖЦИ высокотехнологичного оптического изделия охватывает все стадии реализации прибора.

Сегодня перед отечественными оптическими предприятиями стоит задача повышения конкурентоспособности на мировом рынке. В решении поставленной задачи могут помочь следующие способы. Во-первых, совершенствование процессов жизненного цикла оптического прибора путем уменьшения временных затрат, а также уменьшения материальных затрат, используемых при реализации проектов [2, 7, 11, 12] (Zakharov, Trofimov, Frolov, Novikov, 2019; Petrov, Suleymankadieva, Petrov, 2019; Putyatina, Arseneva, Orlova, 2019; Tikhonova, 2019)). Во-вторых, увеличение уровня удовлетворенности заказчика.

Основная часть

Объект ЖЦ обладает рядом особенностей, характерных для того или иного этапа. Этапы ЖЦ любого изделия уникальны.

Процесс жизненного цикла оптического изделия начинается с маркетинговых исследований (анализ желаний потребителей). Составление технического задания – формализация потребности и идеи заказчиком и исполнителем.

На этапе проектирования закладываются идеи по реализации будущего прибора. Различают внутреннее и внешнее проектирование.

На внешнем проектировании формируются все необходимые требования к системе в целом и составляется ТЗ (техническое задание). ТЗ содержит требования и задачи, которые необходимо решить в процессе создания оптического прибора.

На внутреннем проектировании разрабатывается ПКД (проектно-конструкторская документация), которая соответствует задачам внешнего проектирования. Совместно с ведущим инженером формулируется техническое задание на проектирование.

При создании оптического прибора особое внимание уделяют оптической схеме, проектирование которой уникально и занимает много времени у разработчика. Процесс разработки делят на последовательные этапы: анализ, синтез и оптимизация. При разработке оптической системы анализируют базовые варианты систем, проводят аберрационный анализ, а также проводят оптимизацию. После разработки оптической схемы оформляется оптический выпуск, на котором показаны все аберрации системы и с помощью которого проводят оценку качества получаемого изображения. На этапах проектирования реализуются как опытно-конструкторские работы (ОКР), так и ведется научно-исследовательская деятельность.

Для решения задач расчета вычислительной оптики применяются следующие ключевые операции: нахождение интеграла и производной функции, расчет преобразований Фурье для нахождения спектра сигнала, расчет матриц, расчет оптимизации системы, а также множество других операций. Справиться с решением таких сложных задач помогает вычислительная техника. Использование компьютерной техники значительно сокращает временные ресурсы.

Сегодня существуют различные универсальные прикладные пакеты программ, например Mathcad, Mathlab для выполнения сложных математических расчетов. Также программы, направленные для решения задач проектирования оптических систем (Zemax, Opal), и системы для решения специализированных задач по расчету лазерной системы.

При просчете оптической системы ключевой операцией является расчет действительного хода луча. По данному признаку системы делятся на два класса. Для первого класса систем характерен классический метод. Здесь на оптической оси последовательно располагаются компоненты системы, и высоты луча на каждой поверхности определяются последовательно. Такой метод характерен для расчета изображающей системы.

В другом классе расчетов применяется ГСК (глобальная система координат), и лучи рассчитываются непоследовательно. Такой способ применяется при проектировании и расчете освещения системы.

Следующий этап проектирования ЖЦИ оптического прибора – технологическая подготовка производства. На данном этапе составляются операционные маршруты, подбирается необходимое оборудование для обработки изделия, составляется программа для станка ЧПУ, на котором выполняется обработка оптических поверхностей, подбираются установки и режимы нанесения покрытий для оптических компонентов.

Немаловажным этапом является этап производства компонентов оптического прибора и его дальнейшей сборки. При производстве оптического стекла важно правильно подобрать соотношение компонентов, ведь только имея определенный состав стекла, можно получить необходимые свойства и характеристики.

Для стекла характерны следующе оптические характеристики: число Аббе, показатели дисперсии, а также показатель преломления стекла. Оптическое стекло обладает следующим рядом физических свойств: хрупкость, теплопроводность, плотность.

При добавлении примесей в состав шихты изменяются и свойства стекол. Для повышения плотности необходимо добавить оксиды свинца или висмута, а кальций и бор повышают упругость. Добавление брома повышает ударную стойкость. Для изменения цвета оптических стекол добавляют медь или хром, что придает желтый или зеленый окрас. Для затемнения стекол применяются фосфор или фтор.

Для решения задачи грамотного весоизмерения примесей используется система SIWAREX. Система включает устройства для измерения веса компонентов, что позволяет грамотно дозировать состав шихты.

Выделяют четыре типа анализа.

1. Одновариантный анализ, в котором свойства объекта проектирования определяются параметрами, используется тогда, когда значения свойств конкретного проектного решения являются необходимыми.

2. В поливариантном анализе характеристики создаваемого изделия

рассматриваются для нескольких вариантов, которые имеют между собой незначительные различия. Таким образом, можно определить зависимость характеристик от исследуемых параметров.

3. Комплексный анализ, предоставляющий всю информацию, необходимую для определения влияния всех параметров характеристики.

4. Технологический анализ, который заключается в моделировании отклонений параметров разрабатываемого прибора от истинных значений.

Все этапы, выполняемые на различных уровнях проектирования, сопровождаются системой поддержки принятия решений (СППР) – такая компьютерная автоматизированная система, чаще всего интерактивная, которая помогает управленцу принимать решения в сложных условиях, помогает осуществлять полный и объективный анализ предметной области [4] (Fakhrutdinova, 2013). Программа выдает информацию, основываясь на входных данных, которая помогает людям быстро оценить положение дел, принять решение.

В последнее время аналогичные СППР стали активно использовать представители малого и среднего бизнеса [6] (Ershov, Kachalov, 2013). Такие системы, например, помогают решить такие вопросы, как выбор наилучшего кандидата на должность среди множества других, оценка эффективности ведения бизнеса и др. Системы принятия решений способны удовлетворить различные потребности пользователей в зависимости от их масштабов.

История использования такого подхода при принятии решений началась еще в XVIII веке, когда Лаплас и Бернулли выявили форму функции полезности денежных средств, и продолжается и по сей день.

В зависимости от трудности и многофункциональности поставленных задач и области применения СППР делят на несколько классов [8] (Prokopenko, 2017). СППР первого типа применяют в высших органах государственного управления, например в министерствах, когда формируют будущие комплексные задачи, включая в них мероприятия политического, экономического или социального характера и распределяя между ними средства и возможности в зависимости от доли их влияния на эффективность достижения основной цели. Системы второго класса предназначены для принятия оперативных решений. Такие системы используют малые и средние предприятия. Системы третьего класса адаптируются к опыту пользователя программы. С их помощью осуществляют системный анализ текущей и исторической деятельности и решают прикладные задачи в области управления. Используемые на высокотехнологическом предприятии СППР имеют различную входную и выходную информацию.

Важность решения проблем интеграции взаимодействия различных информационных систем делает актуальным вопрос эффективности применения ERP-системы при управлении предприятием для значительного сокращения сроков подготовки производства. На предприятии, на котором процесс создания объекта проектирования выполняется совместно, в результате постоянного взаимодействия сотрудников применяются автоматизированные системы управления. Это предопределило необходимость использования СППР, которые прежде всего помогают предприятиям в оптимизации производства на всех этапах ЖЦИ.

При проектировании с помощью СППР, работающих с позиций управления ЖЦИ, сохраняется возможность выбора оптимального решения, а также появляется перебор нескольких допустимых решений и выбор из них лучшего с помощью изменения параметров оптимизируемого устройства.

Так, на механическом заводе имени С.А. Зверева, который специализируется на производстве оптических приборов, успешно применяется система Zemax. Система позволяет подобрать оптические компоненты для будущего прибора, тем самым помогает на стадии проектирования разработать исходные варианты оптических систем, повышает вероятность получения улучшенной системы с точки зрения соотношения между ценой и качеством.

При расчете конструкции объектива с помощью САПР SolidWorks необходимо грамотно подобрать материал корпуса изделия, который в значительной роли будет влиять на характеристики будущего изделия в целом.

Использование зарубежных прикладных программ при разработке оптического прибора создает сложности, связанные с ориентацией программ на стандарты и зарубежную базу, которые далеко не всегда подходят для отечественного оптического производства.

Существуют отечественные автоматизированные системы расчета оптических систем. Например, оптическим институтом имени С.И. Вавилова была разработана система CAPO (Система Автоматизированного Расчета Оптики), а также национальным исследовательским университетом ИТМО был разработан пакет прикладных программ OPAL.

Сегодня СППР постоянно развиваются, но уже сейчас мы можем выделить ряд особенностей [10] (Kovalenko, Ivachenko, 2018), которые обеспечивают их высокую эффективность, что позволяет оптимизировать будущие проекты.

1. Увеличение количества проектных вариантов решения задач для всех этапов принятия проектных решений.

2. Сравнение вариантов проектирования и выбора наилучшего из них с помощью подсистем оценки вариантов решений СППР.

Современные СППР на предприятиях производства оптических приборов используются на всех этапах ЖЦ изделия (при проектировании, изготовлении, эксплуатации).

Будучи современным, высокотехнологичным информационным ресурсом, СППР помогают понизить расход ресурсов, таких как временные, вещественные, требующие для производства оптических устройств и создания системных ресурсов, которые позволяют радикально поменять систему измерения и приблизиться к идеальному результату.

В наше время различные предприятия, производящие оптические устройства, перешли к новым технологиям в рамках управления бизнес-процессом ЖЦИ.

Компьютерные системы, которые позволяют автоматизировать и оптимизировать этапы ЖЦ прибора, способствуют данному переходу. Примером таких систем служат: автоматизированные системы проектирования, системы, помогающие в управлении базами данных (PDM).

Сегодня при разработке оптического прибора применяются САЕ – системы, которые делятся на следующие виды:

– универсальные системы расчета оптических систем;

– системы для расчета оптических волокон;

– системы для расчета толщины покрытий оптических деталей.

Для поддержания конкурентоспособности отечественных оптических предприятий, разрабатывающих оптические приборы на мировом рынке, требуется создание продукции, обладающей высоким качеством, а также соответствующей требуемой проектной документацией. Привести к этому может переход на безбумажную технологию [9] (Boguslaev, Dubrovin, Naboka, 2004). Ярким примером этому могут служить CALS технологии (Continuous Acquisition and Life-cycle Support), которые осуществляют информационную поддержку и повышают эффективность производства, используя преимущества бизнес-процесса ЖЦИ.

CALS-технологии включают:

– использование новых технологий;

– перепроектирование бизнес-процессов для достижения максимального эффекта деятельности;

– использование параллельных способов разработки;

– применение методов «параллельной» разработки;

– стандартизацию обмена данных.

Использование данных технологий позволяет получить следующие преимущества:

– ускорение процесса обработки данных;

– уход от бумаг и переход к электронной версии сопровождения;

– сокращение времени на реализацию продукта и выпуск его на мировой рынок;

– уменьшение временных расходов ЖЦ;

– позволяет объединить информацию при сопровождении продукта на всех этапах ЖЦ.

Сегодня автоматизированные системы присутствуют и на этапе испытания прибора. Параметрический мониторинг и диагностика используются для оценки технического состояния оптических устройств во время эксплуатации. Для контроля состояния оптических приборов используются системы по визуальному наблюдению, которые позволяют осмотреть изделие со всех сторон и определить дефекты при их наличии.

Немаловажным этапом современного производства также является этап утилизации оптического прибора.

Так, например, при изготовлении конструкции крупногабаритного телескопа необходимо сделать так, чтобы при повреждении оптической линзы или образовании сколов ее можно было легко заменить и отправить на переплавку в случае, если обработка стекла не помогла исправить ситуацию.

Эффективная утилизация стекла очень важна сегодня [3] (Borkova, Gorelchanik, Gorelchanik, 2019). Существует ряд угроз, связанных с утилизацией стекол. Во-первых, для разложения стекла потребуется несколько сотен лет. Во-вторых, битое стекло представляет опасность для живых организмов, а также способно препятствовать росту растений. Переплавка стекла позволяет использовать сырье повторно, тем самым уменьшив материальные затраты.

При сортировке боя стекол по цвету используются автоматизированные системы, которые при помощи современных оптико-электронных систем различают цветовые оттенки.

Заключение

Сейчас происходит полная автоматизация всех этапов ЖЦИ. Объем финансовых и трудовых ресурсов, вложенных в компьютеризацию производства, не всегда гарантирует ожидаемый результат, но анализируя уровень технологического производства и осуществляя поиск новых методов и способов решения проблем, можно прийти к ожидаемому успеху. Способствовать этому поможет применение современных автоматизированных систем.

Сегодня ни одна компания не может произвести универсального, подходящего всем технологически готового решения проблем в производственном процессе клиентов. Проектирование СППР-систем происходит на основе проведенного анализа данных и бизнес-процесса ЖЦИ компании-клиента, далее происходит моделирование функционала СППР в зависимости от потребностей и технических возможностей заказчика. Применение автоматизированных систем позволяет существенно сократить материальные и временные затраты, а также обеспечить эффективное функционирование бизнеса.