Место цифровых макетов в современном производстве

УДК 004.94

МЕСТО ЦИФРОВЫХ МАКЕТОВ В СОВРЕМЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

л

© Д.А. Филиппова1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассматриваются перспективы использования новых информационных технологий в современном производстве. Аргументируются основные достоинства цифровых макетов: с их помощью можно на начальных этапах выявлять и устранять ошибки, оптимизировать производственные процессы, сокращать количество отходов, повышать продуктивность, улучшать качество получаемых изделий. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: компьютерное моделирование; единое информационное пространство; информационные технологии; PLM; цифровой макет.

PLACE OF DIGITAL MOCKUPS IN MODERN PRODUCTION D.A. Filippova

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article considers the prospects of using new information technologies in modern production. It reasons the main advantages of digital mockups: when used at initial stages they allow to identify and correct errors, optimize production processes, reduce waste, increase efficiency and improve the quality of manufactured products. 7 sources.

Key words: computer simulation; single information space; information technologies; PLM; digital mockup.

Цифровые макеты, их увязка, учет пространственных погрешностей - новая технология в современном производстве, обеспечивающая повышение производительности труда, улучшение качества продукции и снижение ее себестоимости.

Создание любого сложного изделия невозможно без его графического представления - схемы, рисунка или чертежа.

Традиционная технология изготовления нового продукта начинается с выполнения конструкторских чертежей и необходимых расчетов. Эти процессы очень трудоемки и занимают много времени, поэтому ручное черчение перестало удовлетворять инженеров еще в 70-е годы прошлого века, т.к. постоянно увеличивался объем работы и росло число типовых изделий на основе уже существующих разработок. Именно тогда начала активно развиваться компьютерная отрасль: появились первые 2D конструкторские системы проектирования CAD (англ. computer-aided design). С их помощью становилось легче конструировать новые и модифицировать старые изделия. Двухмерное проектирование бурно развивалось до середины 90-х годов. Возникли и стали быстро совершенствоваться CAM-системы (англ. computer-aided manufacturing) для обработки изделий на станках с ЧПУ, расчетные системы CAE (англ. computer-aided engineering) и многие другие приложения.

Появление SD-моделирования оказалось настоящим прорывом, но поначалу новая технология не была доступна широкому кругу пользователей. По-настоящему популярным трехмерное моделирование стало примерно после 95-х годов XX века. Очень мно-

го компаний оценили его достоинства: стал реальным процесс поиска и исправления ошибок в самом начале проектирования, что значительно снижает расходы на изготовление дорогостоящих опытных образцов.

Как известно, разработка и подготовка производства к выпуску сложного, высокотехнологичного изделия - групповая деятельность, в которую вовлечено множество специалистов. Поэтому для того, чтобы максимально сократить сроки производства продукта, необходимо параллельное выполнение работ и тесное взаимодействие всех участников процесса. Задача становится решаемой путем формирования единого информационного пространства предприятия. С осознанием его необходимости разработчики компьютерных систем создали новый продукт, призванный решать проблемы организации и координации деятельности всего инженерного состава - систему управления данными об изделии PDM (Product Data Management). Теперь технологи, конструкторы и другие специалисты могут не только получать информацию об изделии, но и дополнять ее. В дальнейшем, после изготовления продукта, информация о нем может быть использована, например, для усовершенствования или изготовления нового на базе существующего.

Сегодня производители авиационной, автомобильной, медицинской и другой техники сталкиваются с необходимостью применения современных информационных технологий, которые позволят разрабатывать инновационные продукты в более короткие сроки, продолжая обеспечивать при этом высокий уровень качества.

1Филиппова Дарья Александровна, аспирант, тел.: 89500705690, e-mail: filippova-daria91@yandex.ru Filippova Daria, Postgraduate, tel.: 89500705690, e-mail: filippova-daria91@yandex.ru

Даже с развитыми CAD-технологиями многим компаниям не удается снизить отходы производственных процессов, уменьшить количество ошибок и брака, улучшить качество продукции или производить инновационные товары, которые будут в полной мере удовлетворять современные потребности рынка.

Эти проблемы требуют радикального переосмысления методов разработки продукта. Главным образом производственным компаниям следует модернизировать процессы проектирования и конструирования изделий, которые включают в себя сложные детали, состоящие из множества элементов, созданных несколькими участниками производственного цикла, с использованием различных независимых систем автоматизированного проектирования (САПР). Здесь не обойтись без координации деятельности всех членов команд-участников и сохранения при этом проектного замысла с начала работы и до ее завершения - путем применения современных информационных технологий.

Основные требования, предъявляемые сегодня к таким технологиям: сопровождение изделия на всех этапах его создания; организация совместного использования информации о продукте большим числом участников производственного цикла; обеспечение высокого уровня автоматизации процесса; сокращение времени проектирования.

PLM (Product Lifecycle Management - управление данными о продукте на протяжении его жизненного цикла) позволяет удовлетворить все вышеперечисленные требования. PLM входит в состав ИТ-структуры любого производственного предприятия наряду с такими системами, как ERP (решает задачи руководства предприятием), SCM (обеспечивает управление цепочками поставок и ведение совместного бизнеса всеми участниками расширенного предприятия) и CRM (управляет взаимоотношениями с заказчиками). За последние несколько лет PLM заняло важное место в области компьютеризации промышленного производства.

Лидером в этой сфере сегодня является компания IBM/Dassault Systemes, которая в свое время первой взяла на вооружение концепцию и методы PLM.

Кроме выше перечисленных достоинств, внедрение PLM позволит компаниям проводить параллельное проектирование, накапливать и повторно использовать знания об изделии, автоматизированно проводить изменения по всем этапам проектирования, производить оптимизацию изделия, сократить количество отходов и ущерб окружающей среде, существенно сэкономить производственные затраты благодаря полной интеграции инженерных процессов и т.д.

Ключевыми элементами PLM являются: управление данными об изделии (PDM); совместное проектирование изделия (CPD, CAD, CAE); управление производственными процессами (MPM, CAPP, CAM). С помощью этих систем осуществляется автоматизация технологической подготовки производства

Ядром PLM-технологии является PDM-система. Она обеспечивает:

* создание и поддержку единого информацион-

ного пространства на всех этапах жизненного цикла изделия;

• создание электронного архива чертежей и другой технической документации;

• автоматизацию управления конфигурацией изделия;

• управление всеми информационными процессами, связанными с изделием, а также всей информацией об изделии (его составом и структурой, геометрическими данными, чертежами, планами проектирования и производства, нормативными документами, программами для станков с ЧПУ и многим другим);

• построение системы качества продукции согласно международным стандартам качества ISO 9000.

Важную роль при разработке и производстве изделий сложной конфигурации играет система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и технологической подготовки производства (CAD/CAE/CAM) высшего уровня. Такая система может не только сопровождать весь цикл создания изделия от абстрактной идеи до его реализации, но и формировать виртуальную ассоциативную проектно-технологическую среду для осуществления параллельной, одновременной работы всех участников производства нового изделия в виде его единой электронной модели.

Примером (CAD/CAE/CAM) высшего уровня может служить продукт компании «Siemens PLM Software» Unigraphics NX7.5 (последняя версия NX9.0 вышла в октябре 2013 года). Основную конкуренцию ей составляют: CATIA производства Dassault Systemes и Creo Elements/Pro (ProEngineer) от PTC.

Возможности проектирования изделий в NX превосходят многие аналогичные системы с точки зрения мощности, универсальности, гибкости и производительности.

Программное обеспечение NX для проектирования изделий представляет собой полный набор передовых инструментов САПР, который позволяет компаниям разрабатывать более качественные продукты быстрее и с меньшими затратами и выбирать инструменты и методики, которые лучше всего подходят для конкретной задачи проектирования.

С помощью системы NX в процессе проектирования можно создавать полное электронное представление многокомпонентных изделий со сложной геометрией и осуществлять контролируемые изменения в создаваемом электронном (цифровом) макете.

Согласно ГОСТ 2.052-2006 «Единая система конструкторской документации. Электронная модель изделия», электронный макет - это электронная модель изделия, описывающая его внешнюю форму и размеры, позволяющая полностью или частично оценить его взаимодействие с элементами производственного и/или эксплуатационного окружения, служащая для принятия решений при разработке изделия и процессов его изготовления и использования. То есть по сути это единый источник информации по изделию, доступный всем участникам его жизненного цикла; сово-

купность взаимосвязанных трехмерных моделей деталей, узлов и систем. Опираясь на трехмерный цифровой макет (прототип реального продукта), инженер может анализировать большие сложные изделия на предмет удобства сборки их компонентов и последующего технического обслуживания.

По словам основателя компании Dassault Systemes Франсиса Бернара, который руководил работами по созданию первой в мире трехмерной САПР CATIA: «Цифровое прототипирование ... позволяет смоделировать реальный мир на компьютере («в цифре»), беря в расчет сразу несколько факторов:

• конструкцию изделия, т.е. его цифровой макет (digital mock-up, DMU);

• базу инженерных знаний с возможностями хранить и управлять интеллектуальной собственностью ...;

• инженерную оптимизацию посредством анализа поведения изделия в его реальном окружении -эргономику, аэродинамику, структурную деформация с заданными ограничениями, вибрации, шумы и т.д.;

• технологическую информацию, включая проект цеха по производству изделия, планирование процессов, моделирование изготовления деталей из заготовок и сборочных операций;

• оптимизацию производства с учетом используемых материалов, физических свойств процессов штамповки, сварки, клепки, литья и т.д.;

• техническое обслуживание, включая описание процедур сборки/разборки изделия, его структуры и рекомендаций по ремонту;

• поддержку совместной работы пользователей и предприятий, участвующих в одном проекте».

Таким образом, можно сказать, что электронный макет является ключевым элементом в PLM-среде. Он дает возможность командам разработчиков в реальном времени создавать электронную модель изделия, помещая ее в естественную среду, и тем самым анализировать ее. Уже на ранних стадиях разработки инженеры-проектировщики получают информацию о ключевых факторах, которые определяют качество, технические характеристики и себестоимость нового продукта.

Современные технологии позволяют одновременно работать с тысячами и миллионами элементов, входящих в одну сборку. Команды разработчиков могут просматривать столько конструкций изделий, сколько требуется для оценки его частей в контексте конкретной задачи. Это способствует быстрому обнаружению и устранению проблем проектирования сборок и процессов на ранних стадиях разработки, не прибегая к физическому прототипированию. Также электронный макет позволяет проводить виртуальную проверку зазоров и контроль столкновений для обнаружения и устранения соответствующих проблем. Разработчики имеют возможность имитировать в виртуальном режиме движения сборки и тем самым проверять и оптимизировать перемещение компонентов.

С помощью автоматизированного планирования пути сборки и движения ее компонентов разработчики

могут оптимизировать продукцию для монтажа, демонтажа, обслуживания и сервиса, а также записывать и воспроизводить последовательность движений сборки (полученные результаты в дальнейшем пригодятся в качестве инструкции).

Цифровая модель становится более совершенной по мере того, как совмещаются все конструкторские, технологические, механические и другие проектные данные. Полный электронный макет является виртуальным опытным образцом готового изделия и служит для его оптимизации и проверки. Это приводит к снижению потребности в создании дорогих физических прототипов, так как все испытания выполняются в виртуальном режиме.

Состав и структура электронного макета изделия изменяются в процессе всего жизненного цикла: на каждом этапе к электронному макету добавляются новые компоненты. Их перечень и описание приводятся в международных стандартах ISO. В соответствии с ISO 10303, электронный макет изделия включает в себя следующую информацию:

• геометрические данные (конструктивные твердотельные поверхности, поверхностные с топологией и без, каркасные поверхности и т.п.);

• данные о конфигурации изделия и административную информацию (данные о предприятии, вариантах состава и структуры изделия; об изменениях конструкции и т.д.);

• инженерные данные, разработанные при помощи разных программных продуктов в различных форматах.

Обычно цифровой макет содержит электронные 2D-чертежи, трехмерные модели изделия и его элементов, чертежи и модели оснастки, необходимой для изготовления элементов изделия, модели для аналитических расчетов, различную базовую информацию (номенклатура, вес, длины, особые параметры), технические требования, описание техпроцессов, особенностей эксплуатации изделия и т.д.

Тем не менее, несмотря на все конструкторские и технологические возможности CAD/CAM-систем и электронных макетов, они не находят широкого промышленного внедрения в силу ряда обстоятельств, характерных для большинства предприятий. Так, хотя 3D-моделирование и является предпочтительным методом моделирования изделий, 2D-чертежи и 2D-данные по-прежнему применяются практически во всех отраслях на том или ином этапе подготовки производства. Таким образом, из-за несовместимости CAD-технологий с 2D-файлами, их увязывание, как правило, оказывается длительным и сложным процессом. Отсюда, электронные макеты, созданные на основе этих неувязанных чертежей, содержат много ошибок и неточностей и не могут служить достоверным источником информации для решения задач производства нового изделия.

Однако компании могут повышать степень использования информационных технологий планомерно, постепенно переходя от бумажных чертежей к полному электронному макету всего изделия.

Концепция использования электронных макетов и современных CAD/CAM-систем существует уже в течение 15 лет, но лишь немногие предприятия их используют. Чтобы внедрить в производство высокоэффективные способы использования 3D-технологий, необходимо изменить процессы и внушить людям мысль о необходимости применения информационных технологий, которые будут делать цифровое прототи-пирование основным методом подготовки производ-

ства. Они должны осознать, что только благодаря новым технологиям можно в разы сократить количество отходов, оптимизировать процессы, повысить безопасность и производительность труда, улучшить качество получаемых изделий, а в совокупности все это позволит достичь увеличения прибыльности и уменьшения затрат производства.

Статья поступила 03.07.2014 г.

1. ГОСТ 14.004-83 «Технологическая подготовка производства. Термины и определения основных понятий».

2. ГОСТ 2.052-2006 «Единая система конструкторской документации. Электронная модель изделия».

3. Журавлев Д.А., Яценко О.В. Обеспечение точности при создании сложных изделий // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. № 5. С. 29-33.

4. Злыгарев В., Самсонов О. Бесплазовое производство авиационной техники: проблемы и перспективы // САПР и

ский список

графика. 2000. № 9.

5. Зыков О. Промышленная автоматизация: движение от САПР к PLM // IT News. 2005. № 5.

6. Кошелев В. Что такое PLM? // САПР и графика. 2003. № 10.

7. Rachael Dalton-Taggart. Digital Prototyping Trumps PLM: An Interview with Autodesk VP Andrew Anagnost. CAD/CAM/CAE Observer, 2007.