Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций

Современные технологии проектирования и графического моделирования

Определяющими факторами успеха в промышленном производстве являются уменьшение времени выхода продукции на рынок, повышение качества, снижение ее стоимости. Практическая реализация этих требований требует модернизации проектно-технологических и производственных про­цессов как в рамках отдельных предприятий, так и в условиях «расширенно­го предприятия», объединяющего всех поставщиков, соисполнителей и уча­стников проектирования и производства продукции. В настоящее время наиболее радикальным средством решения задач модернизации является внедрение интегрированных информационных технологий на базе исполь­зования современных средств вычислительной техники и сетевых решений. К числу наиболее эффективных технологий, дающих весомый выигрыш в короткие сроки, принадлежат системы автоматизированного проектиро­вания, инженерного анализа и технологической подготовки (системы CAD/CAM/CAE), а также системы управления производственной информа­цией (системы PDM).

Первым, наиболее значительным результатом в области разработки программных средств САПР является создание интерактивных графических редакторов для работы с двумерными и трехмерными геометрическими объектами или, иными словами, систем автоматизированного черчения (CADD — Computer-Aided Design and Drafting). При глобальном рассмотре­нии все графические редакторы работают одинаково: для них определены элементарные геометрические объекты (примитивы), а также процедуры манипулирования с этими объектами (редактирование). Поэтому в таких редакторах реализованы упрощенные представления о процессе проектиро­вания как о процессе создания геометрических объектов путем манипуля­ции с набором неких элементарных геометрических объектов — геометри­ческих примитивов. Очевидно, что такие представления недостаточно точно отражают работу инженера-конструктора, не позволяют ему отличить ее от деятельности чертежника, которая полностью ограничивается рамками изготовления технической документации.

Специализация графических редакторов для САПР привела к появле­нию целого ряда утилит, одни из которых встраивались в ядро редактора (например, утилита образмеривания), а другие предполагалось применять как независимые сервисные программы (утилита параметрического проек­тирования и пр.). Это, безусловно, улучшило эффективность использования САПР, но ничего не изменило принципиально. В настоящее время развитие программных средств САПР идет в направлении решения довольно не­большого круга проблем, к которым в первую очередь относятся: проблема эффективности твердотельного моделирования, проблема параметриза­ции, а также проблема ассоциативности и программного интерфейса.

Однако современное представление о процессе проектирования исхо­дит из его «генетического» единства с процессом производства. С этой точ­ки зрения проектирование является информационной моделью производст­ва, а никак не процессом изготовления технической документации. Следует отметить, что ранее конструкторы не имели инструментов для проверки адекватности указанных процессов, поэтому и появилась специальность технолога, который, по сути дела, осуществляет «переформатирование» описания из форм, адекватных процессу проектирования, в форму, адекват­ную процессу производства. Но с появлением современных средств вычис­лительной техники стала возможна непосредственная передача информации от компьютеров к элементам производства (к таким, например, как станки с ЧПУ), хотя, как правило, необходимость изготовления технической доку­ментации сохраняется.

Первые шаги в организации «единого информационного пространст­ва» были предприняты в 1980-х годах в оборонном комплексе США, где возникла необходимость в обеспечении оперативного обмена данными ме­жду заказчиком, производителем и потребителем вооружений, а также в со­кращении бумажного документопотока. Первоначально данная концепция получила обозначение CALS (Computer Aided Logistic Support — компью­терная поддержка поставок) и охватывала в основном фазы производства и эксплуатации. В дальнейшем концепция CALS начала активно применяться в промышленности, строительстве, транспорте и других отраслях экономи­ки, расширяясь и охватывая все этапы «жизненного цикла» продукта — от маркетинга до утилизации.

В настоящий момент CALS понимается как Continuous Acquisition and Life Cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия. По своей сути CALS является глобальной стратегией повы­шения эффективности бизнес-процессов, выполняемых в ходе жизненного цикла изделия за счет информационной интеграции и преемственности ин­формации, порождаемой на всех этапах жизненного цикла. Возможность совместного использования информации определяется применением ком­пьютерных сетей и стандартизации форматов данных, обеспечивающей их корректную интерпретацию. Интегрированная модель продукта и обмен конструкторскими данными между проектировщиком и производителем является источником информации для расчета потребности в материалах, создания электронных справочников по эксплуатации продукта и т. д.

Очевидно, что решение указанных проблем возможно только вследст­вие унификации способов представления, интерпретации и использования информации, которые реализованы в стандарте ISO 10303 STEP (Standard for the Exchange of Product). Модель изделия в соответствии с этим стандар­том включает: геометрические данные, информацию о конфигурации изде­лия, данные об изменениях, согласованиях и утверждениях. Стандарт ISO 10303 STEP построен таким образом, что помимо базовых элементов (интег­рированных ресурсов) в его состав входят так называемые прикладные про­токолы, определяющие конкретную структуру информационной модели для различных предметных областей (автомобиле- и судостроение, строительст­во, электроника и т. п.). Стандартный способ представления конструкторско - технологических данных позволяет решать проблему обмена информацией между различными подразделениями предприятия, а также участниками коо­перации, оснащенными разнородными системами проектирования.

В рамках технологии CALS развиваются современные технологии управления производственной информацией, часто называемые PDM-сис - темами (Product Data Management). Они следят за большими, постоянно об­новляющимися массивами данных и инженерно-технической информации. В отличие от баз данных, PDM-системы интегрируют информацию любых форматов и типов, поступающую от различных источников, предоставляя ее пользователям в структурированном виде, привязанном к особенностям со­временного промышленного производства. Системы PDM отличаются так­же и от интегрированных систем офисного документооборота, поскольку текстовые документы являются далеко не самыми «нужными» на производ­стве (куда важнее геометрические модели, данные для функционирования автоматических линий, станков с ЧПУ и т. п.). Системы PDM обобщают та­кие широко известные технологии, как управление инженерными данными (Engineering Data Management — EDM), управление документами, управле­ние информацией об изделии (Product Information Management — PIM), управление техническими данными (Technical Data Management — TDM), управление технической информацией (Technical Information Management — TIM), управление изображениями и пр.

Иначе говоря, любая информация, необходимая на том или ином этапе жизненного цикла изделия, может управляться системой PDM, которая пре­доставляет корректные данные всем пользователям и всем промышленным информационным системам. Наряду с данными, PDM управляет и проек­том — процессом разработки изделия, контролируя собственно инфор­мацию об изделии, о состоянии объектов данных, об утверждении вно­симых изменений, осуществляя авторизацию и другие операции, которые влияют на данные об изделии и режимы доступа к ним каждого конкрет­ного пользователя.

Системы PDM играют роль связующего звена между этапом инже­нерно-конструкторской подготовки нового изделия и системами MRP (Manufacturing Resource Planning) или, другими словами, разного рода АСУ, решающими задачи автоматизации управления финансами, складским хо­зяйством, снабжением и сбытом, а также техническим обслуживанием. О важности такого рода систем свидетельствует хотя бы такой факт, что толь­ко 25 % рабочего времени персонала компании, начиная от проектировщика и кончая руководителем проекта, тратится на собственно творческую рабо­ту, а остальное — на поиск информации и стыковку потоков данных, посту­пающих от разных подразделений. Часто оказывается, что проще заново разработать деталь, чем найти информацию, подготовленную некоторое время назад.

Место систем PDM в общей производственной цепочке показано на рис. 1.1. Они занимают промежуточное положение между системами MPR и системами CAD/CAM/CAE, которые в русскоязычной литературе называют одним термином — интегрированные САПР. В англоязычной литературе под указанными терминами понимают следующее:

CAD (Computer-Aided Design) — общий термин для обозначения всех аспектов проектирования с использованием средств вычислительной техни­ки; обычно охватывает создание геометрических моделей изделия (твердо­тельных, трехмерных, составных), а также генерацию чертежей изделия и их сопровождений;

САМ (Computer-Aided Manufacturing) — общий термин для обозначе­ния программных систем подготовки информации для станков с ЧПУ; тра­диционно исходными данными для таких систем были геометрические мо­дели деталей, получаемые из систем CAD;

CAE (Computer-Aided Engineering) — общий термин для обозначения информационного обеспечения автоматизированного анализа проекта (прочностные расчеты, коллизии кинематики и т. п.) или оптимизации про­изводственных возможностей.

Главное направление развития современных САПР— повышение их интеллектуальных функций, т. е. способности «понимать» намерения кон­структоров. В простейшем случае в системе запоминается лишь «история» или последовательность шагов, выполняемых проектировщиком. Такие сис-

темы удобны при создании библиотек стандартных деталей и элементов, но для более сложных ситуаций требуется более «интеллектуальная» реализа­ция пользовательского интерфейса. Поэтому в САПР начинает все шире ис­пользоваться объектная технология, в соответствии с которой 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 позиции эстетики формы, для инже­нера с позиции вычислительной сложности поверхности, для технолога с пози­ции применимости процесса штамповки для ее изготовления. Объект позво­ляет объединить подобные представления, а это открывает прямой путь к эффективной реализации идей С-технологии, т. е. параллельного проекти­рования и инжиниринга (concurrent design and engineering).

С-технология (конструкторско-технологическое проектирование) — это принципиально новый, интегрированный подход к проектированию. В ее основе лежит идея совмещенного проектирования изделия, а также процессов его изготовления и сопровождения, координируемых с помощью специально создаваемой для этой цели распределенной информационной среды. Подобная технология позволяет использовать проектные данные, начиная с самых ранних стадий проектирования, одновременно различными

группами специалистов. Например, в трех главных конструкторских бюро компании Boeing действуют 220 групп «проектирование—производство», которые координируют параллельные разработки и состоят из специалистов таких разнообразных областей, как конструирование, технология материа­лов, производство и взаимодействие с клиентами. С-технология обеспечива­ет устранение известных недостатков последовательного проектирования, в частности, в случае, когда ошибки проекта изделия неожиданно обнаружи­ваются на последних его стадиях. Кроме того, появляется возможность лег­ко и быстро вносить изменения в проект, причем таким образом, чтобы из­менения не вызывали повторного проектирования созданных деталей и уз­лов. Сегодня «перепроектирование» продолжает оставаться существенной затратной компонентой любой разработки.

В заключение следует обратить внимание на интересные инициати­вы в области САПР, возникшие в Германии. Они связаны с проблемой роста несовместимости решений, предлагаемых многочисленными про­изводителями информационной техники, включая и CAD/CAM/CAE - системы. Решение этих проблем стало настолько насущным, что постав­лен вопрос о стандартизации систем CAD/CAM/CAE и информационной техники в целом. Концерн Daimler-Benz выступил с предложением под названием «Инициатива по передовой информационной технике», кото­рое поддержали British Aerospace, FIAT, Renault, SAAB, Volkswagen и многие другие компании. Другой проект под названием CAD2000 объе­динил компании Audi, BMW, Mercedes-Benz, Porsche, Volkswagen. Эти проекты пытаются решить громадную по масштабам и сложности про­блему поиска стандартных решений, способных удовлетворить огромное множество прикладных требований от проектирования до изготовления, а также управления информационными данными и библиотеками стан­дартных компонентов.