Машиностроения

Автоматизация поддержки жизненного цикла изделий

Конструкции машин непрерывно совершенствуются, а усло­вия их эксплуатации — усложняются. Требования потребителей к качеству изделий машиностроения растут. За XX в. точность изготов­ления некоторых элементов машин увеличилась почти в 2 000 раз. Качество современных машиностроительных изделий характери­зуют, например:

• точность размеров основных поверхностей деталей — до 3-го квалитета;

• допустимые отклонения формы поверхностей деталей: от плоскостности 0,2...2,0 мкм, от круглости 0,2... 1,0 мкм;

•шероховатость поверхностей деталей Ra 0,1...0,0075 мкм.
Технологические решения, принятые при ТПП, определяют эффективность производства, а время, затрачиваемое на ТПП — суммарную длительность ПТЦ и соответствующие затраты. Анализ отображенных на рис. 1.4 тенденций показывает следующее:

• наблюдается объективный рост длительности ПТЦ, которую
определяет постоянно увеличивающаяся длительность ТПП;

• непрерывно увеличивается длительность этапа разработки кон­струкций изделий, которые становятся все более наукоемкими —

для их создания необходимо проведение все более возрастающего объема научно-исследовательских работ (НИР);

• затраты на ТПП непрерывно увеличиваются, их доля в сум­марных затратах на изготовление изделия также возрастает.

Усложнение конструкций изделий машиностроения, рост тре­бований к их качеству, усложнение условий их эксплуатации, необходимость сокращения длительности ПТЦ требует принятия сложных и эффективных решений в минимальные сроки. Это воз­можно лишь при автоматизации процесса принятия (поддержки) решений, что нашло отражение в появлении нового класса авто­матизированных информационных систем — систем поддержки решений (Decision Support Systems — DSS). Системы поддержки решений ориентированы не на полную автоматизацию функций лица, принимающего решения, а на предоставление ему необходи­мой информационной или даже интеллектуальной помощи в по­иске наилучшего, наиболее эффективного в заданном смысле ре­шения. Современные информационные технологии дают принци­пиальную возможность создания интегрированной системы под­держки решений для всего ЖЦИ. Последнее нашло отражение в разработке, так называемых, CALS-технологий (Computer Aided Acquisition and Life-Cycle Support — CALS) переводится как «ин­формационная поддержка жизненного цикла изделия».

CALS-технологии — современные информационные технологии, обеспечивающие автоматизированную поддержку решений на от­дельных этапах ЖЦИ, а также информационную интеграцию всех его этапов. Впервые концепция CALS возникла в середине 70-х гг. XX в. в оборонном комплексе США в связи с необходимостью повышения эффективности управления и сокращения затрат на информационное взаимодействие в процессе заказов, поставок и эксплуатации средств вооружения. Доказав свою эффективность, CALS-технологии начали активно применяться в промышленно­сти, расширяясь и охватывая все этапы ЖЦИ — от маркетинга до утилизации. Сегодня концепция CALS является глобальной стра­тегией повышения эффективности процессов, выполняемых на этапах ЖЦИ за счет информационной интеграции и преемствен­ности информации, порождаемой на всех этапах. Средствами реа­лизации этой стратегии являются CALS-технологии, в основе ко­торых лежит набор интегрированных информационных моделей — самого ЖЦИ и выполняемых в его ходе процессов, продукта (из­делия), производственной и эксплуатационной среды и пр. Воз­можность совместного использования информации обеспечивает­ся применением компьютерных сетей и стандартизацией форма­тов данных. Используют единую интегрированную модель изделия и его ЖЦИ, выступающих в роли источника информации для любых, выполняемых в ЖЦИ процессов. CALS-технологии состо­ят из набора приемов, методических и программных инструментов. К методическим инструментам относят, прежде всего, комп­лект международных и национальных стандартов, регламентиру­ющих представление изделия и его ЖЦИ на концептуальном и логическом уровнях. Использование стандартов обеспечивает ин­теграцию данных, относящихся к различным этапам ЖЦИ, за счет унификации их представления.

Чтобы достичь должного уровня взаимодействия промышлен­ных, автоматизированных и информационных систем, требуется создание единого информационного пространства не только на отдельных предприятиях, но и, что более важно, в рамках объеди­нения предприятий. Единое информационное пространство созда­ется благодаря унификации, как формы, так и содержания инфор­мации о конкретных изделиях на различных этапах их жизненного цикла.

Унификации формы достигают использованием стандартных форматов и языков представления информации при документиро­вании и межпрограммных обменах. Унификация содержания, по­нимаемая как однозначная правильная интерпретация данных о конкретном изделии на всех этапах его жизненного цикла, обес­печивается разработкой приложений, закрепляемых в прикладных CALS-протоколах. Система международных CALS-стандартов весьма обширна и разветвлена. Центральное место в ней занимает стан­дарт ISO 10303 (STEP), определяющий средства описания (моде­лирования) промышленных изделий на всех этапах жизненного цикла.

Единообразная форма описаний данных о промышленной про­дукции обеспечивается использованием в STEP языка EXPRESS, инвариантного к приложениям. Созданы единые информацион­ные модели целого ряда приложений, получившие название при­кладных протоколов.

Стандарт ISO 10303 состоит из ряда документов (томов), в ко­торых описаны его основные принципы и язык EXPRESS, приве­дены методы реализации, модели и ресурсы как общие для прило­жений, так и некоторые специальные (например, геометрические и топологические модели, описание материалов, процедуры чер­чения, метод конечно-элементного анализа и т.п.), прикладные протоколы, отражающие специфику моделей в конкретных пред­метных областях, методы тестирования моделей и объектов. Удов­летворению требований создания открытых систем уделяется ос­новное внимание — специальный раздел посвящен правилам напи­сания файлов обмена данными между разными системами, создан­ными в рамках CALS-технологии.

Семейство отечественных CALS-стандартов значительно малочисленнее. Среди принятых можно отметить группу стандартов «Системы автоматизации производства и их интеграция».

Системы автоматизации, использующиеся на различных этапах ЖЦИ, весьма разнообразны и включают соответствующие про­граммные компоненты:

• САЕ — Computer Aided Engineering (автоматизированные рас­четы и анализ);

• CAD — Computer Aided Design (автоматизированное проек­тирование изделий);

• САМ — Computer Aided Manufacturing (автоматизированная технологическая подготовка производства);

• САРР — Computer Aided Process Planning (автоматизирован­ное проектирование технологических процессов);

• СААР — Computer Aided Assembly Planning (автоматизированное проектирование процессов сборки);

• PDM — Product Data Management (управление проектными данными о продукте (изделии));

• PLM — Product Life Cycle Management (управление жизненным циклом изделия);

• ERP — Enterprise Resource Planning (планирование и управление предприятием);

• MRP-2 — Manufacturing (Material) Requirement Planning (планирование производства);

• MES — Manufacturing Execution System (производственная исполнительная система);

• SCM — Supply Chain Management (управление цепочками по­ставок);

• SCADA — Supervisory Control And Data Acquisition (диспетчер­ское управление производственными процессами);

• CNC — Computer Numerical Control (компьютерное числовое управление);

• CRM — Customer Relationship Management (управление вза­имоотношениями с заказчиками);

• S&SM — Sales and Service Management (управление продажа­ми и обслуживанием);

• СРС — Collaborative Product Commerce (совместный элект­ронный бизнес).

Современные САПР К (или системы CAD; CAE/CAD), обес­печивающие сквозное проектирование сложных изделий или, по крайней мере, выполняющие большинство проектных процедур, имеют модульную структуру. Модули различаются своей ориента­цией на те или иные проектные задачи применительно к тем или иным типам устройств и конструкций.

Системы САМ призваны решать отдельные задачи проек­тирования ТП (построение операций; выбор оборудования, инст­румента; оснастки и т.п.), а также обеспечивать подготовку уп­равляющих программ для станков с ЧПУ. Модули системы САМ часто входят в состав развитых (интегрированных) САПР, на­зываемых системами CAD/САМ, или CAE/CAD/CAM. Основные функции современных систем САМ сосредоточены, в основном, на автоматизации подготовки управляющих программ для стан­ков с ЧПУ.

Проектирование ТП изготовления деталей обеспечивают сис­темы САРР, а сборки — системы СААР. Системы САМ, САРР, СААР относят к САПР ТП. Системы САРР и СААР могут входить в интегрированные САПР, например, системы CAE/CAD/CAM/ САРР.

Для решения проблем совместного функционирования компо­нентов САПР различного назначения применяют системы управ­ления проектными данными об изделии — системы PDM. Они либо входят в состав модулей конкретной САПР, либо имеют са­мостоятельное значение и могут работать совместно с разными САПР, например, CAD/CAM/CAPP/PDM.

В основу разработки эффективных систем автоматизации ТПП должны быть положены следующие базовые принципы:

• комплексный подход к выполнению основных функций и решению основных задач ТПП;

• открытость системы, информационная интеграция с другими системами автоматизированной поддержки ЖЦИ, соответствие разрабатываемой системы CALS-стандартам;

• системы должны создаваться как совокупность ряда подсистем, работа которых подчинена общей цели. Подсистемы при ра­боте взаимодействуют друг с другом, и, следовательно, каждая из них не должна разрабатываться независимо от других;

• система должна быть развивающейся, а развитие направлено на повышение ее эффективности путем сокращения сроков, повышения качества и экономии средств при разработке новых кон­курентоспособных изделий.

Автоматизированные системы ТПП, в полной мере отвечаю­щие представленным принципам и требованиям пользователей, в настоящее время еще не разработаны. Их создание представляет серьезную, актуальную научно-техническую проблему, которая еще не решена.

Состояние поддержки решений, принимаемых при выполне­нии отдельных функций и задач ТПП, различно (рис. 1.5). Наи­большие усилия прилагаются для автоматизации поддержки про­ектных технологических решений, прежде всего связанных с про­ектированием ТП и средств технологического оснащения, что на­шло отражение в создании и промышленном применении соот­ветствующих систем автоматизации: САПР ТП и САПР К.

Недостаточно высокий общий уровень современной автомати­зации ТПП объясняется тем, что технологические решения, под­чиняясь общим закономерностям принятия решений, имеют ряд особенностей, обусловленных:

• преобладанием в предметной области технологии машиностроения описательных форм представления знаний при минимальном числе вскрытых строгих аналитических зависимостей;

• сложной логикой суждения, взаимными влияниями различных факторов и большой размерностью задач, например, для авто­матизации выбора режима резания необходимо определить более 1 000 переменных различных типов;

• большой ролью знаний, полученных из опыта (эмпирических знаний), и наличием скрытых объективных законов;

• необходимостью взаимодействия при принятии решений со сложными информационными потоками, состоящими из большого числа переменных различных типов, раскрывающих сущность тех­нологии (характеристики оборудования, инструмента, оснастки; параметры режимов резания; данные о свойствах материалов и т.д.);

итерационным характером процесса принятия технологических решений: решение обычно формируется путем последовательного приближения к наиболее приемлемому для заданных усло­вий результату.

Большинство задач, выполняемых при ТПП, являются трудно или неформализуемыми. Для их решения пока не могут быть пред­ложены формальные (базирующиеся на использовании зависи­мостей, представляемых с помощью формул) алгоритмы. Алго­ритм — строгая последовательность формальных процедур, вы­полнение которых гарантированно ведет к получению искомого решения. Все сказанное в полной мере относится к проектирова­нию ТП изготовления изделий, являющемуся важнейшей функ­цией ТПП.