Методы и средства обеспечения CALS – технологии

6.4.1. Содержание задач на различных этапах
поддержки различных этапов жизненного цикла

Прежде чем перейти к анализу методов и средств осуществления и обеспечения непрерывного процесса поддержания жизненного цикла с помощью современных систем остановимся на кратком описании содержания задач его этапов и формулирования требований, предъявляемых к их компонентам.

Каждая из задач проектирования имеет свою базу знаний (методов и алгоритмов расчета), а также свое программно-математическое обеспечение, позволяющее сократить время выполнения великого множества рутинных вычислительных и логических процедур. Использование вычислительной техники соответствовало этапам, установленным ранее в положениях по проектированию, имело в основном специализированный объектно-ориентированный характер. Для каждого вида техники (двигателестроение, автомобиле, авиа- или ракетостроение и т.п.) разрабатывались свои специализированные системы инженерного анализа (CAE), обслуживавшие ранние этапы проектирования облика машин, а также развивались работы по универсальным системам автоматизированного проектирования элементов конструкций машин, пригодным для использования во всех областях машиностроения.

По мере развития этих работ возникали и решались проблемы разделения задач и технических средств между этапами проектирования облика машины, технологии и производства с учетом возможностей средств ВТ и связей между ними, а также разработки новых и использования разработанных ранее универсальных пакетов прикладных программ с библиотеками (базами) данных.

Одной из таких проблем стала привязка разработанных программных средств к этапам проектирования в рамках CALS – технологии и техническим средствам. Опытная эксплуатация универсальных САПР, ориентированных на использование одной (но мощной и дорогой!) вычислительной машины с большим количеством вынесенных к рабочим местам пользователей терминалов, показала полную бесперспективность такого пути автоматизации из-за сложности распределения времени решения огромного количества задач, одновременно ставящихся многочисленными пользователями. Решение проблемы – в децентрализации решаемых задач и распределении ресурсов ВТ разной мощности на разных этапах инженерного анализа.

На этапе формирования технического задания и технического предложения используются специализированные проблемно-ориентированные CAE пакеты прикладных программ, позволяющие с одной стороны произвести экспертные оценки экономически целесообразных параметров технического задания на машину с учетом пожеланий большого количества пользователей и соисполнителей, а с другой – сформировать геометрию облика и компоновку (CAD) будущей машины. CAE – системы изначально объектно-ориентированы. Они стоят несколько обособлено по отношению как CAD так и к CAM системам. Будучи самостоятельными, в процессе работы над проектом они должны обмениваться с CAD и CAM системами графической и текстовой информацией, содержащей результаты инженерного анализа. Уровень детализации геометрической информации в CAD системах, встроенных в CAE системы, невысок, так как в них отображаются расчетные схемы или определяются параметры только номинальной (абстрактной, идеальной) геометрии. Формирование геометрии компоновки связано как с функционированием проектируемого объекта, так и с определением действующих на него статических и динамических сосредоточенных и распределенных нагрузок, имеющих различную природу (гравитационную, термическую, аэрогидромеханическую, электромагнитную и т.п.). Оно выполняется с помощью геометрического трехмерного поверхностного и твердотельного моделирования.

На этапе эскизного проекта круг задач существенно расширяется. Это уточнение номинальной геометрии агрегатов и входящих в них элементов (деталей) с помощью геометрического (CAD) трехмерного (3D) твердотельного (Solid) моделирования с оценкой в CAE состояния материала конструкции (напряжений: запасов прочности, ресурса работы при определенных ранее нагрузках и т.п.). И для первого и для второго этапов необходимо адекватное описание номинальной (абстрактной) геометрии проектируемого объекта: поверхностей, ограничивающих объемы элементов конструкции, определения объемов, координат центров масс и параметров тензора инерции. Для их определения были разработаны и непрерывно совершенствуются методы, использующие достижения естественных наук, среди которых наиболее универсальным является метод конечных элементов (МКЭ). Множество объектов проектирования по пути своего развития обрастало инженерными методиками расчетов, обладающих той или иной точностью определения нагрузок (например, при расчете газовых турбин, компрессоров, поверхностей летательных аппаратов, магнитострикционных вибраторов, электромагнитов и т.п.), а также оценки состояния элементов конструкции при действующих нагрузках. Достаточно заглянуть в перечень методов расчетов, используемых в строительной механике машин различного назначения.

Для обеспечения безопасности использования продукции по служебному назначению частные методики расчета и моделирования нагрузок по мере их проверки в работающих конструкциях проходили утверждение и становились обязательными к применению. Использование любых других методик, не прошедших всесторонних испытаний, не допускалось. Унификация методик – проблема больше политическая, чем инженерная. Поэтому частные методики расчета, оформленные в виде конкретных программных продуктов, являются собственностью организаций и фирм, их разрабатывающих и использующих. Они, как правило, составляют ноу-хау (know-how) этих фирм.

В процессе проектирования возникает необходимость корректировки геометрии объекта проектирования для приведения в соответствие нагрузок и состояния материала конструкции, обеспечивающего необходимые запасы прочности, ресурс и т.п. Пользователю-проектировщику необходимо не только представить 3D Solid-модель (твердотельная модель), но и вносить в нее множество частных изменений, по возможности не создавая модели заново. Этот принцип – параметризация – является неотъемлемой частью оболочки CAD.

По завершении необходимых расчетов, позволяющих сформировать номинальную геометрию элементов конструкции, с помощью специализированной CAM/CAD/CAE – системы производится деление конструкции на технологически целесообразные элементы (например, крупногабаритной оболочки на обечайки, подкрепления и т.п.).

Таким образом для обеспечения этапов технического предложения и эскизного проекта достаточно иметь CAD, содержащий средства 3D Solid (твердотельного) моделирования с параметризацией, CAE с методом конечных элементов и большое количество специализированных пользовательских программ, определяющих нагрузки, состояние материалов в конструкциях и их поведение в условиях эксплуатации и CAM деления объекта производства на составные части. Все системы такого типа являются открытыми для пользовательских (User) программ.

В виду сложности решаемых задач для их решения безусловно необходимы мощные программные средства, позволяющие не только отображать геометрию облика машины в пространстве, но и осуществлять моделирование ее поведения в условиях эксплуатации для уточнения параметров ТЗ на последующие этапы проектирования [13]. Это в первую очередь «тяжелые» CAD/CAE/CAM – системы, предназначенные для автоматизации конструкторских работ, использующие как основу пространственные 3D модели, размещаемые на рабочих станциях [14]. Правда, по мере совершенствования средств ВТ, операционных систем и программ самих САПР необходимость использования мощных рабочих станций снижается.

На этапе технического проекта возникает необходимость специфического поверхностного моделирования, переходящего в твердотельное, для моделирования пространственных размерных цепей с целью согласования и уточнения допусков на сопрягаемые поверхности и параметры геометрии масс. Решение этой задачи требует проведения существенных изменений в форме задания, хранения и передачи информации о поверхностях, ограничивающих объемы элементов конструкции.

Полная информация о поверхности включает помимо номинальных сведений о виде поверхности (нормированных параметрах «примитива», заданного в связанной с ним системе координат), масштабах по всем трем осям и положения собственной системы координат поверхности в системе координат элемента конструкции, все допустимые с точки зрения работоспособности отклонения формы, масштабов (размеров поверхности) и положения – так называемый статус поверхности. Моделируя выходные параметры элементов конструкции, определяющие ее работоспособность, в пределах допусков поверхностей и соразмеряя эти допуски с технологическими возможностями, можно обоснованно их назначить и в дальнейшем выполнить и проконтролировать наилучшим образом. Такие системы моделирования находятся в стадии разработки и их появление среди CAD систем существенно повысят эффективность производства в рамках CALS – технологии.

Кроме того, к этому этапу проектирования должен подключаться технологический (CAM) пакет, позволяющий разработать структуру состава промежуточных сборочных единиц, которая ляжет в основу разработки сборочных чертежей, и директивную документированную технологию сборки с оценкой продолжительности цикла сборки, позволяющего осуществить его в приемлемые сроки. На этом этапе завершается разработка директивного технологического процесса сборки, формулируются ТЗ на необходимую для его осуществления технологическую оснастку.

На этапе рабочего проекта задача сводится к разработке рабочих чертежей деталей и заготовок с помощью геометрического (CAD) объемного (3D) и плоского (2D) моделирования, технологического (CAM) проектирования и моделирования обработки заготовок на станках с ЧПУ с полным комплектом технологической и технико-экономической документации. Полное рабочее документирование сборочной фазы производства можно выполнять параллельно (одновременно) с проектированием технологии обработки. Для сборки агрегатов выполнять его целесообразно на ВТ и персоналом, занимавшимся эскизным (техническим) проектированием, а для проектирования общей сборки – ВТ и персонала, занимавшегося техническим предложением. Это «легкие» CAD/CAM – системы, предназначенные для автоматизации конструкторских и технологических работ, в основе которых лежат объемное (3D) и плоское 2D моделирование [14].

При выполнении проекта все системы объединяются вокруг решаемой технической задачи. Возникает серьезная проблема связей между системами и обмена данными между отдельными программными модулями при решении комплексной задачи проектирования. Отсюда понятны требования, предъявляемые к степени интегрированности среды, в которой предполагается вести работу.

Однако при интеграции существует и ряд проблем, например, специфические проблемы возникают при интегрировании CAD и CAM систем на этапе формирования технологического процесса, поскольку возникает необходимость ввода большого объема точной геометрической информации, учитывающей не только номинальные параметры, но и допуски на них. В современных CAM – системах проработано огромное количество задач, решение которых достаточно полно автоматизировано. При этом каждая из задач решается отдельным программным продуктом, который в общем случае не совместим ни с какими другими. Для связи с CAD системами недостаточно ряда разнообразных фильтров и конверторов. Подобный способ связи всегда работает с определенной долей вероятности и неизбежно приводит к потерям или искажению данных. Это объясняется отсутствием общепринятых стандартов для представления информации и обмена между системами проектирования. Существующие форматы обмена данными DXF, IGES, VDA-FS, SET, DHF и ряд специализированных форматов, например, CGM, STL, PATRAN и др., к сожалению, до сих пор такими стандартами не являются. Не решает проблемы и существующая редакция стандарта STEP (ISO 10303), являющегося в большей степени методикой работы, чем стандартом обмена информацией в обычном понимании этого слова.

Это обстоятельство послужило движущим мотивом создания интегрированных CAE/CAD – систем универсального применения (например, для расчета параметров типовых элементов конструкции: валов, балок, ферм, упругих элементов конструкции, пластин, оболочек, соединений, подшипников, кулачков, рычажных механизмов, передач всех видов). Одновременно велись и ведутся работы по созданию CAD/CAM систем, базирующихся как на идеологии пространственного (трехмерного) моделирования, то есть на идеологии «тяжелых» CAD, так и на идеологии поверхностного моделирования, то есть на идеологии «легких» CAD. Отсюда понятны требования, предъявляемые к степени интегрированности среды, в которой предполагается вести работу. Так, например, для этапа рабочего проекта CAD/CAM это не CAD плюс CAM. Наибольшую эффективность здесь имеют интегрированные CAD/CAM системы, в которых геометрическая модель автоматически передается из графической (CAD) в технологическую (CAM) подсистему.

На этапе разработки организационно-технической документации задача сводится к размещению заказов на производственных мощностях с учетом сроков их выполнения; планированию и диспетчеризации снабжения; планированию на основе технологического (CAM) проектирования и сопровождения производственного процесса, загрузки персонала; учету состояния производственной системы; моделированию оптимального поведения производственной системы при нарушении планов; оценке эффективности работы производственной системы. Для этих целей используются мощные CIM системы, размещаемые на достаточно мощных персональных компьютерах.

Подводя итоги, можно отметить, что в САПР сектора инженерного анализа и проектирования необходимо либо интегрировать модули различных систем, либо использовать целостную интегрированную систему. Однако вследствие большого разнообразия и сложности задач проектирования для каждой производственной системы нельзя определить однозначно предпочтительности модульной или целостной систем. По-видимому, более предпочтителен вариант, когда в зависимости от уровня сложности проекта в САПР интегрируются как модули различных систем, так и как целостные интегрированные системы.

Следует обратить внимание на различную трудоемкость этапов проектирования и различное число занятых на этих этапах разработчиков информации.

Этап технического предложения имеет глубокую проблемно- и объектно-ориентированную специализацию и имеет весьма малочисленный круг пользователей – проектантов.

Этапы эскизного и технического проектов обслуживается существенно бльшим числом пользователей – проектировщиков агрегатов. Этот этап использует гораздо более универсальные программные продукты: CAD системы поверхностного и твердотельного трехмерного моделирования с дополнением универсальными пакетами CAE для анализа прочности, согласования точностных требований, проектирования и документирования технологии сборки. Ввиду высоких требований к ВТ этих этапов проектирования и, соответственно их возможностям, на них возлагается также и разработка программ для многокоординатных (свыше трех координат) станков с ЧПУ.

Наконец, к этапу рабочего проекта и разработке технологии изготовления деталей привлекается самое большое число пользователей. На этом этапе выполняется большое число относительно несложных графических работ (чертежи деталей, операционные эскизы) для выполнения которых достаточно «легких», но высокопроизводительных и удобных для неквалифицированного в области ВТ пользователя 2D – 3D CAD систем. Указанные CAD/CAM системы должны быть объединены с CAM системами, обеспечивающими 2х – 3х координатную обработку на станках с ЧПУ и подготовку всего комплекта технологической документации.

Проведенный анализ этапов проектирования и их информационного, программного и технического обеспечения показал, что число рабочих мест, на которых сосредоточено формирование проекта, стремительно возрастает от самых ранних этапов проектирования к более поздним. Наукоемкость постепенно снижается, а количество рутинных процедур возрастает. Наиболее универсальными и «многолюдными» с точки зрения состава решаемых задач является этапы рабочего проектирования и разработки технологической документации, где широко используются как CAD/CAM системы, связывающие объект производства с технологией, так и CAE системы, используемые при проектировании технологического оснащения.

Многоуровневую систему средств САПР, соответствующую этапам создания машин удобно представить в следующем виде. Самый верхний этаж занимает проектное бюро оснащенное необходимыми тяжелыми CAE/CAD/CAM/CIM системами, развернутыми на рабочих станциях или вычислительных комплексах. На начальных этапах проектирования эти системы могут иметь некоторое преимущество. Когда идет формирование обводообразующих конструкций, сложных пространственных компоновок, такие системы позволяют получить значительный выигрыш в скорости и качестве разработок. Однако они начинают уступать «легким» CAD системам, развернутым на персональных компьютерах на этапе выпуска чертежной документации. Это происходит из-за того, что для выпуска комплекта чертежей технического и рабочего проектов и даже простейшей детали в «тяжелых» CAD необходимо построить ее пространственную модель.

Следующий этаж заполняют конструкторы, выполняющие деталировку и выпуск конструкторской документации. Тяжелых систем здесь меньше, так как использовать слишком дорогое оборудование для оформления чертежей крайне неэффективно. На следующем этаже находится технологическое бюро. Здесь установлены одна или две тяжелые системы для подготовки сложной 4х, 5х – координатной обработки, которую требуют до 3% изготавливаемых деталей. Применять тяжелые системы для всей остальной продукции, где достаточно 2х, 2.5х – координатной обработки, снова нерационально. Наконец, на нижнем этаже располагается непосредственно цех. Здесь невозможно установить ни одну тяжелую CAD/CAM систему, так как нет ни задач, которые она эффективно решала бы в цеховых условиях, ни людей, способных освоить столь мощный и, соответственно, сложный программный продукт. Таким образом, оставшиеся в цеху рабочие места целесообразно оснащать легкими CAD/CAM.

Выбор CAD/CAM систем для этапов проектирования представляет задачу не только техническую и технологическую по прямому назначению, но социальную и организационно-экономическую. Это обусловлено, прежде всего, тем, что на современном этапе развития CALS – технологии требуется привлечение большого количества специалистов высокой квалификации в предметных областях, не владеющих опытом программирования и использования ВТ, но обладающих знаниями и опытом в своей специальности. В неменьшей степени важно, чтобы затраты на оснащение рабочих мест как вычислительной техникой, так и программным обеспечением были как можно меньше при высокой производительности, не уступающей мощным средствам ВТ.

Сегодня на рынке представлен достаточно широкий спектр систем, работающих в направлении автоматизации проектирования.

CAE – системы ранних этапов проектирования в большинстве своем являются узко специализированными, не универсальными. Они, как правило, содержат ноу-хау фирмы-разработчика продукции и поэтому крайне редко выходят на рынок. Чаще всего на рынке САПР встречаются оболочки CAE – систем, содержащие универсальный метод конечных элементов, с помощью которого пользователи решают частные задачи по собственным методикам. Для этапов эскизного и технического проектов известна по крайней мере одна отечественная CAE – система APM WinMachine, универсального применения, в которой помимо метода конечных элементов имеются специализированные модули для расчета параметров типовых элементов конструкции: валов, балок, ферм, пластин, упругих элементов, оболочек, соединений, подшипников, кулачков, рычажных механизмов, передач всех видов. Интерфейс этой системы с CAD осуществляется через файлы данных результатов расчетов и частично – через графические DXF- файлы.

За ними следуют «тяжелые» и «легкие» CAD – системы, предназначенные для автоматизации конструкторских работ, такие как Solid Edge, MicroStation, AutoCAD, T-FLEX CAD, CherryCad, КОМПАС-4, Графика – GL, Кредо – 3.1, Базис – 2.1.

Далее CAM – системы, автоматизирующие подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ и разработку комплекта технологической документации. В основном это либо самостоятельные системы, как КАТРАН, Virtual Gibbs, либо приложения к графическим системам, как КОМПАС-ЧПУ, AutoCAD-Manufacturing.

Особую группу среди CAM систем представляют системы КАРУС, АВТОПРОЕКТ 7.0, ГАСПОТ-ЭКСПРЕСС, предназначенные для проектирования операционных технологических процессов изготовления деталей машин и оформления необходимой технологической документации: маршрутных и маршрутно-операционных карт, эскизов и текстовых частей операционных карт. Эти системы имеют собственные встроенные CAD системы для оформления эскизов, расчетных схем, чертежей инструмента и т.п.

Среди CIM – систем следует отметить мощные зарубежные системы MRP, MRP-2.

Интегрированные системы разной степени интегрирования представлены много шире. Это прежде всего CAD/CAE – системы для инженерного анализа, представленные в основном оболочками, содержащими универсальный инструмент анализа методом конечных элементов. CAD/CAM системы, объединяющие в себе как конструкторские, так и технологические функции (Cimatron, ADEM, КОМПАС-5), далее CAE/CAD/CAM системы, обеспеченные дополнительно поддержкой инженерного анализа (CATIA Solutions V4, I-DEAS Master Serias, Pro/ENGINEER, CADDS 5, EUCLID 3, EDS UNIGRAPHICS, DUCT, EMS INTER-GRAPH и т.п.), и «тяжелые» CAE/CAD/CAM/CIM системы, охватывающие всю совокупность задач инженерного анализа и проектирования.

Зарубежные тяжелые системы CATIA, I-DEAS Master Serias, Pro/ENGINEER, CADDS 5, EUCLID, EDS UNIGRAPHICS, DUCT, EMS Intergraph, Solid Edge Intergraph, Cimatron, в полном объеме могут быть размещены на рабочих станциях или персональных компьютерах, с близкими к ним характеристиками. Из них только Solid Edge Intergraph не имеет перехода от поверхностного моделирования к твердотельному.

Из отечественных систем наибольшее развитие получили APM WinMachine, ADEM, КОМПАС, T-FLEX CAD, размещаемые на персональной технике, причем только у ADEM есть переход от поверхностного моделирования к твердотельному. На этой же технике могут быть размещены зарубежные русифицированные MicroStation и AutoCAD.

Особое место среди отечественных CAE/CAD/CAM систем занимают специализированные программные продукты, разработанные с помощью инструментальной системы СПРУТ. Это не универсальные CAE/CAD/CAM/CIM системы, выполненные по заказам отдельных пользователей, но потенциально обладающие всем набором необходимых атрибутов для удовлетворения требований каждого из этапов проектирования.

Перечисленные системы не отражают всего обилия разработок, которые постоянно появляются на рынке технологии САПР.

Наиболее полно современные системы САПР поддерживают CAE и CAD этапы технического предложения, эскизного и рабочего проектов с полным комплектом конструкторской документации, содержащей информацию о номинальной (абстрактной) геометрии проектируемой машины. CAM – системы этапов технического предложения и эскизного проекта, обеспечивающие проектирование технологий общей и агрегатной сборки, оценку их технико-экономических параметров, позволяющих определить приемлемую (оптимальную) структуру состава сборочных единиц, в настоящее время еще только разрабатываются. CAM – системы этапа рабочего проекта, связанные с разработкой программного обеспечения для станков с ЧПУ, рабочих технологий обработки деталей и сборки сборочных единиц позволяют создать полный комплект рабочих технологических документов, но не позволяют в полном объеме оценить такие технико-экономические параметры, как продолжительность цикла технологического процесса, трудоемкость и приращение себестоимости единицы продукции в технологическом процессе. Органическим недостатком этих систем является невозможность доопытной оценки влияния точности средств производства на вероятность выхода годной продукции, полностью соответствующей требованиям технической документации.

Практически ни одна из современных систем не поддерживает этапа технического проекта, на котором назначаются, моделируются и выбираются оптимальные допуски на параметры элементов конструкции, обеспечивающие с одной стороны работоспособность и безотказность (надежность) проектируемой машины, а с другой – полноту сборочной взаимозаменяемости. Для выполнения этой задачи требуется провести существенные изменения в форме задания, хранения и передачи информации о поверхностях, ограничивающих объемы элементов конструкции. Полная информация о поверхности включает помимо номинальных сведений о виде (нормированных параметрах «примитива», заданного в связанной с ним системе координат), масштабах по всем трем осям и положения собственной системы координат поверхности в системе координат элемента конструкции, все допустимые с точки зрения работоспособности отклонения формы, масштабов (размеров поверхности) и положения – так называемый статус поверхности. Моделируя выходные параметры элементов конструкции, определяющие ее работоспособность, в пределах допусков поверхностей и соразмеряя эти допуски с технологическими возможностями, можно обоснованно их назначить и в дальнейшем выполнить и проконтролировать наилучшим образом. Такие системы моделирования находятся в стадии разработки и их появление среди коммерческих систем существенно повысят эффективность производства в рамках CALS – технологии.

Частично этот этап может быть обеспечен только для машин, имеющих глубокую и всестороннюю стандартизацию требований к элементам конструкции (разного рода передачи, подшипники, резьбовые элементы и т.п.). Из отечественных CAE систем только APM WinMachine имеет в своем составе полную поддержку таблицами допусков всех глубоко стандартизованных элементов конструкции деталей машин.

Проблема выбора состава САПР для руководства отечественных предприятий, не имеющих достаточного опыта эксплуатации таких систем, превращается в мучительное гадание в условиях недостатка средств, специалистов, владеющих современными вычислительными средствами, неисследованностью и неустойчивостью рынка сбыта продукции и т.п.. По-видимому, здесь тоже целесообразно рекомендовать этапность оснащения рабочих мест средствами САПР и сформулировать основные требования к выбору таких систем. Вначале желательно начать оснащать рабочие места, обеспечивающие рабочее и технологическое проектирование, затем постепенно дооснащать рабочие места этапов эскизного проекта и технического предложения.