Системы автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА

Е.Б. Романова

Введение

Система автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП) представляет собой систему автоматизированного проектирования изделия (САПР), которая включает: систему управления проектом, взаимосвязанные объекты проекта и возможность использования этих объектов для изготовления изделия. В настоящее время имеется множество САПР, многие из которых имеют подобный состав. Однако далеко не во всякой САПР осуществлены современные подходы к проектированию, и зачастую только конструкторская часть САПР универсальна, а технологическая позволяет автоматизировать лишь немногие процессы изготовления.

Разработка аппаратуры проводится поэтапно в соответствии с проектными и производственными стадиями работ [1]. Из них, прежде всего, рассматривается конструкторская стадия - стадия порождения внешнего облика, габаритов, компоновки и пр., т.е. стадия ответа на вопрос - что будет делать производство. Следующая, технологическая стадия отвечает на вопрос - как будут делать. Необходимо помнить, что основную оценку замыслам конструктора, как правило, выставляет технолог и поэтому процесс конструкторско-технологической подготовки неразрывен. Однако организационно конструктор исполняет волю разработчика и требования технического задания, технолог же тяготеет к привязке изделия к возможностям конкретного производства. Последняя из рассматриваемых здесь стадий - производственная - является конечным потребителем конструкторской документации. Важно понимать, что все три стадии постоянно оказывают друг на друга влияние. Они существуют в непрерывной цепи взаимодействия, что практически исключает возможность существенной локальной перестройки.

Система автоматизации КТПП должна быть интегрированной, т.е. взаимосвязанной.

Проанализируем два пути решения задач комплексной автоматизации КТПП: первый - интегрированный, второй - не интегрированный.

В цепочке программных продуктов интегрированной системы все части взаимосвязаны между собой: CAD 2D, CAD 3D, ЧПУ 2D, ЧПУ 3D [2]. Эти части представляют собой одно целое.

Схема автоматизированного проектирования в не интегрированной системе упрощенно сводится к следующему: в области 3D используется система трехмерного моделирования (как правило, зарубежная, так как зарубежные системы более функциональны); в области 2D - система двумерного проектирования (на отечественных предприятиях - российская, так как она позволяет оформлять чертежи по российским ГОСТам); в области ЧПУ - система ЧПУ, подходящая для конкретного способа изготовления (которая не имеет вообще либо имеет небольшие возможности по оформлению конструкторской документации). Между собой эти системы обмениваются информацией: 3D-2D-ЧПУ.

Рассмотрим конкретный пример проектирования отдельной детали.

При проектировании в интегрированной системе все выполняется в единой CAD/CAM-системе: создание 3D модели - создание по 3D модели чертежной документации - создание управляющей программы для станка с ЧПУ. При этом возможен альтернативный вариант проектирования: чертежи детали - 3D модель и т.д. Результат -единый документ, в котором хранится вся информация о детали и ее изготовлении. В любой момент можно изменить какие-либо параметры детали с автоматическим обнов-

лением всех необходимых данных остальных подсистем. И, естественно, все модули построены на едином пользовательском интерфейсе в единой программной среде. Кроме того, хранение и управление данными и проектами организуется с помощью системы документооборота, которая непосредственно взаимодействует с пакетами программ системы.

При проектировании в не интегрированной системе вначале создается 3D модель в системе 3D моделирования. Для получения чертежей создаются 2D проекции, которые экспортируются из системы моделирования в стандартном формате передачи геометрической информации (например, DXF). Затем эти данные импортируются в не связанную с системой моделирования 2D систему, в которой на основе этих проекций оформляется чертежная документация. Для системы ЧПУ данные также экспортируются в промежуточный формат, а затем они импортируются в систему ЧПУ, в которой необходимо затем ввести дополнительную информацию, связанную с обработкой, и после этого создается управляющая программа. Результат: 3D модель - в одной системе, чертежи - в другой, программа для станка - в третьей. Помимо того, что данные оторваны друг от друга и их общая модификация приводит к большим сложностям, все программы построены на различных пользовательских интерфейсах, что значительно усложняет освоение и работу. Стоит отметить, что в ряде случаев могут возникнуть проблемы при передаче данных, поскольку экспорт и импорт промежуточных форматов данных является нестабильной областью и не всегда может быть гарантирован.

Проанализируем оба пути с учетом того, что процесс проектирования - итерационный (т.е. требует внесения изменений). Изменение модели детали идет по следующим схемам.

• интегрированный путь: необходимо изменить параметры детали, все остальное (проекции, чертежи, программу для станка) система сделает автоматически (с небольшими доработками оформления);

• не интегрированный путь: 3D модель изменяется так же легко, как и в интегрированной системе, а вот дальше наблюдается существенная разница, придется пройти весь последующий путь, как если бы проектировалась новая деталь, т. е. с теми же затратами времени. Снова нужно получить проекции и передать их через промежуточный формат в чертежную систему, в которой заново построить все недостающие элементы. Точно так же нужно заново передавать данные и в систему ЧПУ с повторным вводом параметров обработки.

В данном примере рассмотрена только цепочка 3D-2D-ЧПУ. Если к этой цепочке прибавить еще и подготовку технологической документации или взять сборочную конструкцию, то разница в подходах будет еще очевидней.

Тенденции развития САПР в мире направлены именно на интеграцию программных продуктов в единую программную платформу, а не на комбинацию различных систем. В настоящее время для проектирования изделий применяются CAD/CAM/CAE-системы, которые являются интегрированными и обеспечивают поддержку жизненного цикла изделия на всех этапах КТПП.

Общие сведения о CAD/CAM/CAE-системах

CAD-системы (computer-aided design - компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования) [3]. Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т. д.). Ведущие трехмер-

ные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий.

CAM-системы (computer-aided manufacturing - компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с ЧПУ и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

САЕ-системы (computer-aided engineering - поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAE-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

CAD/CAM/CAE-системы как сквозные САПР

Системы CAD/CAM/CAE являются сквозными. Сквозные системы - это всеобъемлющий набор средств для автоматизации процессов и технологической подготовки производства [4]. Данные системы включают в себя полный набор промышленно адаптированных и доказавших свою эффективность программных модулей, функционально охватывающих анализ и создание чертежей, подготовку производства на всех этапах, а также обеспечивающих высокую функциональную гибкость всего цикла производства.

Такая система позволяет выполнять разработку самых сложных технических изделий: жгуты электропроводки, детали из пластмассы, различные механические конструкции. Это достигается с помощью единого набора программных средств, удовлетворяющих специальным требованиям производства.

Системы представляют собой не просто объединенный набор отдельных программных решений, а целостную интегрированную систему взаимосвязанных инструментальных модулей, способных функционировать на различных технических платформах, взаимодействовать с другим производственным оборудованием, обрабатывать данные, полученные путем достижения разработок новейшей технологии.

Системы CAD/CAM/CAE позволяют в масштабе целого предприятия логически связывать всю информацию об изделии, обеспечивать быструю обработку и доступ к ней пользователей, работающих в разнородных системах. Также они поддерживают технологию параллельного проектирования и функционирования различных подразделений, согласовано выполняющих в рамках единой компьютерной модели операции проектирования, сборки, тестирования изделия, подготовку производства и поддержку изделия в течение всего его жизненного цикла.

Создаваемая системой модель основывается на интеграции данных и представляет собой полное электронное описание изделия (ПЭОИ), где присутствует конструкторская, технологическая, производственная и другие базы данных по изделию. Использование ПЭОИ обеспечивает значительное улучшение качества, снижение себестоимости и сокращение сроков выпуска изделия на рынок.

Каждую систему разрабатывают, руководствуясь задачами объединения и оптимизации труда разработчиков и принимаемых при этом технологий в масштабах всего предприятия для поддержания данной системой стратегии автоматического проектирования.

Современное состояние предприятий машиностроения и приборостроения характеризуется устойчивой тенденцией усложнения выпускаемой продукции наряду с увеличением номенклатуры и уменьшением серийности производства [5]. Это ведет к значительному увеличению объемов и сроков выполнения работ в сфере КТПП. Необходимость реализации требований рыночной экономики заставляет предприятия постоянно улучшать потребительские свойства и качество изделий при максимальном сокращении сроков их выпуска. В таких условиях современные САО/САМ/САЕ/РВМ-системы являются стратегическим средством повышения конкурентоспособности продукции и обеспечивают предприятию переход на качественно новый уровень решения конструкторско-технологических и производственных задач. PDM - Product Data Management - встроенная система, которая обеспечивает управление данными о продукции.

Использование CAD/САМ/CAE/PDM-систем, переход на информационные компьютерные технологии, электронное описание изделия - все это имеет место в проектировании различных изделий. Но вместе с этим, как показывает опыт использования таких систем отечественными предприятиями, такие внедрения в большинстве случаев не позволяют достичь показателей производительности труда, соответствующих показателям передовых промышленных стран. Это происходит потому, что эффект от применения CAD/САМ/САЕ/PDM не может быть достигнут частными изменениями традиционных методов работы и точечным внедрением средств автоматизации. Процесс автоматизации подготовки производства не может иметь временных рамок и должен протекать постоянно, пока существует предприятие. Поэтому первоочередной вопрос -определение стратегии внедрения средств автоматизации. Неправильно выбранная стратегия может никак не отразиться на технико-экономических показателях объекта внедрения, а может и ухудшить их. Необходимо определить эффективную стратегию внедрения автоматизированных систем в производство.

Этим требованиям отвечает концепция сквозного цикла проектирования и производства «от идеи до металла».

Как отмечалось выше, вся конструкторская и технологическая документация создается под управлением PDM-системы и, пройдя положенные процедуры согласования и утверждения, в конечном итоге поступает в архив проекта, где она логически увязывается со структурой изделия, его модификациями и вариантами исполнения. Из архива документация поступает в производство в соответствии с технологическими маршрутами изготовления. Архив позволяет поддерживать достоверность рабочей документации в производстве.

Применение информационных технологий по схеме сквозного цикла дает следующие преимущества.

• Сокращение сроков подготовки производства за счет распараллеливания работ. Производство некоторых компонент изделия можно начинать, не дожидаясь окончания разработки конструкторской документации.

• Минимизация потерь в производстве от ошибок и просчетов, допущенных при проектировании изделия, от несогласованной отработки изменений, вносимых в проект.

• Возможность целенаправленного поэтапного развития системы управления предприятием.

Свойства CAD/CAM-системы

Свойства системы можно разделить на несколько групп:

• внешние - свойства, на которые необходимо обращать внимание в первую очередь, т.е. при выборе системы;

• общие - свойства, присущие определенной системе в зависимости от ее назначения;

• внутренние - свойства системы, которые определяют сами пользователи (специалисты), эти свойства присутствуют только в новейших системах.

Общие свойства CAD/CAM-систем представляют собой огромный набор свойств с точек зрения участников разработки системы: программиста, экономиста, пользователей и др. Эти свойства наличествуют во всех CAD/CAM-системах, и они достаточно схожи. Представляют интерес внутренние и внешние свойства системы.

Внешние свойства

1) CAD/CAM-система должна помогать в проектировании конкретного изделия [6]. Концепция модульности программного обеспечения сродни понятию модернизации компьютеров. Правильно спроектированный программный продукт удовлетворит основные потребности конкретного предприятия.

2) CAD/CAM-система должна допускать модульное наращивание или изменение своих функций. Хорошо спроектированная система предполагает наличие механизма выборочного обновления своих функций вместо одного общего и дорогостоящего обновления всей программы.

3) Стоимость CAD/CAM-системы должна соответствовать увеличению производительности и качества, достигаемых в разумные сроки. Срок окупаемости программы варьируется в зависимости от бизнеса. При приобретении CAD/CAM-системы рекомендуется составить бизнес-план по ее окупаемости. Предположим, что какой-либо завод в настоящее время использует только токарное оборудование с ЧПУ. Тогда на текущий момент нужно приобрести только ту часть CAM-системы, которая обеспечит вам автоматизацию именно токарной обработки. Но предположим то, что в течение года планируется купить еще и токарный обрабатывающий центр. Тогда возникает вопрос: возможно ли модернизировать закупленную CAM-систему до уровня подготовки управляющих программ для этого более сложного оборудования? Будут ли полностью востребованы все возможности закупленной CAM-системы или приобретатель системы (например, завод) переплачивает за ненужные ему функции? Таким образом, нужно проанализировать потребности как текущего, так и будущего производства и только потом осуществить покупку той или иной программы.

4) Многозадачный режим Windows - в наши дни почти все программное обеспечение работает в среде Windows. Большинство CAM-программ уже имеет знакомый графический интерфейс, используемый другими программами. Однако некоторые CAM-программы «поглощают» все ресурсы компьютера, загружая центральный процессор настолько, что препятствуют работе других программ в фоновом режиме. При выборе САМ-системы нужно удостовериться в том, что она действительно допускает истинный многозадачный режим Windows, т.е. способность запускать множество процессов (окон), каждый из которых будет способен выполняться «на заднем плане», в то время как CAM-система работает в активном режиме.

Внутренние свойства

1) Возможность легко и быстро вносить изменения в проект, но таким образом, чтобы изменения не вызывали перепроектирования созданных деталей и узлов [7]. Сегодня перепроектирование продолжает оставаться существенной затратной компонентой любой разработки.

2) Наличие интеллектуальных функций «понимания» системами CAD/CAM намерений проектировщиков. Системы с пониманием «истории» (последовательности шагов) хороши при создании библиотек стандартных деталей и элементов, а системы с пониманием «намерений» нужны для более сложных ситуаций, когда проект разворачивается в неожиданном для проектировщика направлении.

3) Ядро САМ-системы должно обладать возможностями импортирования модели детали. Сегодня, как правило, новая работа (техническое задание) выдается по сети в виде электронного файла. А это означает, что САМ-система должна иметь функции точного и аккуратного импортирования данных. Для выполнения этого условия САМ-система должна иметь встроенный транслятор, предназначенный для чтения как нейтрального, так и специфического форматов файлов передачи данных от CAD-систем. К нейтральным форматам относятся IGES, STEP, ISO. Специфические форматы данных содержат полное описание данных о геометрии детали, поскольку используют внутренний формат баз данных CAD/CAM-системы. Однако каждая CAD/CAM-система имеет собственный формат баз и оригинальный формат файла обмена. Следовательно, для импорта таких данных из разных систем потребуются уже несколько программ-трансляторов. Причем нужно учитывать еще и то, что новейшие версии импортирующих программ весьма дороги. Поэтому можно ожидать значительных затрат при их покупке.

4) Наличие в CAD/CAM мощных инструментальных средств разработки (здесь подразумевается интегрированная разработка приложений). Это позволяет профессиональному пользователю адаптировать и развивать систему проектирования. Свойственная многим системам закрытость ограничивает творческие возможности пользователя по применению более тонких и изощренных методов разработки новых видов и поколений продукции.

5) Учет ограничений. Существуют параметрические, вариационные и адаптивные модели проектирования, представляющие собой, по существу, разные способы учета ограничений в решаемых задачах. Существует также понятие переменных широкого смысла и понятие моделей проектирования, основанных на таких переменных. Переменные широкого смысла можно выразить через параметры, уравнения либо непосредственно в виде ограничений. Добавление свойств к этим моделям существенно повышает эффективность и интеллектуальность при работе с трехмерной твердотельной геометрией. Использование переменных широкого смысла является наиболее предпочтительным.

6) Объектная технология систем проектирования. САПР не должны работать с файлами, они должны обрабатывать объекты. Объекты образуют собой целостности, включающие множественные непротиворечивые представления одной и той же сущности. Например, деталь может представлять интерес для дизайнера с позиций эстетики формы, для инженера - с позиций вычислительной сложности поверхности, для технолога - с позиций применимости процесса штамповки для ее изготовления. Объект позволяет объединить подобные представления, а это открывает прямой путь к эффективной реализации идей параллельного проектирования и инжиниринга. Инжиниринг -экономическая сфера деятельности по разработке объектов промышленности, их инфраструктуры и др., прежде всего в форме представления на коммерческой основе различных инженерно-консультационных услуг.

Новые информационные технологии являются важной частью инжиниринговой стратегии предприятия и должны распространяться на все этапы жизненного цикла изделия. Основой для разработки и внедрения технологий, концепций и принципов проектирования является электронная модель (ЭМ) изделия. Благодаря возможностям новых технологий электронная модель изделия может и должна приобрести статус комплекта первичных проектных документов. В качестве первичного источника конструкторской информации об изделии необходимо рассматривать именно ЭМ, чертеж должен являться в данном случае вторичным. Любая система автоматизации КТПП должна использовать как основу проектного документа электронную модель изделия.

Использование ЭМ позволяет автоматизировать процессы КТПП наилучшим образом, так как данный способ проектирования является интегрированным и позволяет

обеспечить сквозной цикл проектирования изделия. ЭМ основана на CALS-технологиях, что дает множество преимуществ, таких как: распараллеливание процессов КТПП, возможность удаленного доступа к данным (в том числе и корректировка), поддержка мировых стандартов и др.

Системы автоматизации КТПП применяются при проектировании различных изделий в таких сферах, как машиностроение, приборостроение, судостроение, авиация и др. Для эффективного производства изделий необходимо постоянно совершенствовать автоматизированную систему КТПП, так как именно на этапах КТПП формируется потенциальный уровень протяженности жизненного цикла изделия. Усовершенствование автоматизированной системы КТПП позволяет сократить сроки выпуска продукции и улучшить качество изделия.

Литература

1. Семенов И. А. Конструкторско-технологическая подготовка и планирование производства // Сайт информационных технологий - inftech.webservis.ru.

2. Автоматизация проектирования и подготовки производства. Методы комплексной автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства предприятий // Топ-системы (Украина) - www.tflex.kiev.ua /мифы и реальность / Методы комплексной автоматизации.

3. Глинских А. Мировой рынок CAD/CAM/CAE-систем // Компьютер Информ. .№1(117). catia.spb.ru / Публикации / Мировой рынок CAD/CAM/CAE-систем.

4. Демченко Е. Понятие о системах CAD/CAM/CAE (сквозные САПР) // gsp.lsk.kz.

5. Современные технологии проектирования в машиностроении. Сквозной цикл проектирования и производства // www.bee-pitron.com.ua.

6. Дихл Б. О походах к выбору CAD/CAM-системы // CNC Machining Magazine. 2001. №16. sapr2000.ru.

7. Рахманкулов В.З. Что хотят получить пользователи от новых поколений CAD/CAM/CAE? // Автоматизация проектирования. 1997. №2 OSP.RU/ ИТ-издания / Открытые системы / Автоматизация проектирования.