Концепция интегрирования интеллектуальной САПР ТП ковки на молотах c PDM/PLM - системами

А.В. Коновалов,
зав. лаб., д.т.н., проф., avk@imach.uran.ru

С.В. Арзамасцев,
с.н.с., к.т.н., доц., sav@imach.uran.ru,

О.Ю. Муйземнек,

с.н.с., к.т.н., olga@imach.uran.ru,
С.И. Канюков,

вед. инж., к.т.н., ksi@imach.uran.ru,
ИМАШ  УрО РАН, г. Екатеринбург

В докладе описаны концептуальные подходы для решения задачи интеграции САПР технологических процессов ковки поковок на молотах с PDM/PLM-системами. Показана роль базы данных и общего интерфейса системы в вопросах внутреннего единства и совместной работы локальной САПР с системами управления этапами жизненным циклом промышленного продукта. Разработана концепция представления информации об объектах САПР на основе проектной парадигмы, в которой все объекты объединены в общий проект на основе родительского объекта.

 

The report describes the conceptual approaches to address the challenges of integration of CAD process for forging forgings forging hammers. The role of the database and the overall interface of the system in terms of internal unity and working together with the local CAD systems management phases of the life cycle of industrial products. The concept of presenting information about the objects of CAD-based design paradigm in which all objects are combined in a common project on the basis of the parent.

 

В последние годы на рынке программных средств появилось большое число продуктов, которые условно можно отнести к линейке PDM/PLM-систему правления этапами жизненного цикла изделия. В более широком смысле данные системы являются представителями CALS-технологий, т.е. электронных систем, осуществляющих полностью автоматическое управление производством, включая деятельность инженерных служб предприятия. Несмотря на большое количество предлагаемых программных комплексов ни один из них не содержит полномасштабной системы проектирования единичного (индивидуального) технологического процесса ковки. В лучшем случае предлагаются средства для разработки маршрутной, маршрутно-операционной и операционной технологии, причём, как правило, не уточняется, что данные программы рассчитаны только на процессы обработки металлов резанием (токарные, фрезерные, строгальные, шлифовальные и т.п. операции). Предприятия, имеющие в своём составе кузнечное производство, нуждаются в системах, осуществляющих полное проектирование техпроцессов с подробными расчётами пооперационных размеров, эскизами разметки присечек, расчётом и выбором заготовок. Разработка технологии для кузнечных операций намного сложнее разработки технологии для механической обработки, поскольку при ковке поковок происходит не удаление слоя металла от заготовки, а его перераспределение с изменением формы, подчиняющееся законам пластического течения металлов. Технологи по ковке и штамповке должны иметь высокую квалификацию, образование и большой опыт работы. Если сравнить техпроцессы на одну и ту же поковку, разработанные разными технологами, то даже в рамках одного предприятия они могут иметь существенные различия. Именно в силу сложности задачи проектирования технологии ковки, из-за специфики производства и технологической документации на каждом отдельном предприятии и недостаточного количества квалифицированных специалистов в этой области, существующие PDM/PLM-системы, как правило, не содержат в себе САПР технологии ковки. Тем не менее, САПР ковки создаются в локальном варианте и используются на предприятиях. В нашей стране известны три научных коллектива, занимающиеся в настоящее время автоматизацией разработки технологии ковки: Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, Уральский федеральный университет (УрФУ), МАТИ-РГГУ им. Циолковского. 

В Уральском федеральном университете (г. Екатеринбург) создана САПР "Малахит 2000" [1], которая  предназначена для автоматизированного проектирования технологических процессов ковки  на молотах поковок валов, дисков, колец, поковок прямоугольного сечения. Эта система разработана для обеспечения учебного процесса, реализована в локальном варианте рабочего места и внедрена на ряде машиностроительных предприятий. Коллективами РКЗ им. Хруничева и МАТИ-РГТУ им. Циолковского (г. Москва)   разработана система автоматизированного проектирования технологических процессов кузнечнопрессового производства [2], предназначенная для предприятий отрасли  Роскосмос, и позволяющая получать маршрутно-операционную карту без детальных расчётов. Предложений о продаже САПР ТП ковки на Российском рынке от зарубежных фирм нет.

В лаборатории механики деформаций ИМАШ УрО РАН (г. Екатеринбург) разработана и внедрена система автоматизированного проектирования технологических процессов ковки на молотах ступенчатых валов САПР ВАЛ [3], обладающая широкими интеллектуальными возможностями. Можно отметить значительные преимущества разработанной системы с точки зрения пользователя. Прежде всего, то, что САПР ВАЛ осуществляет полную разработку технологического процесса с детальным проектированием каждого перехода со всеми необходимыми промежуточными размерами и эскизом разметки. Кроме получения операционной технологии ковки, система назначает режимы термообработки и нормирует время ковки. Разработанная на основе объектно-ориентированного подхода, САПР ВАЛ предоставляет пользователю удобный графический и текстовый интерфейс, позволяющий получать как автоматическое, так и ручное решение. Проектирование не ограничено жёстким сценарием, пользователь имеет возможность свободно выбирать этапы проектирования, если они не противоречат логике проектирования. На любые неверные действия пользователя система адекватно реагирует и предлагает своё решение проблемы. Так что пользователю остаётся только выбрать из множества вариантов наиболее целесообразный, укладывающийся в ограничительные рамки, которые определяются параметрами технологического процесса. Усовершенствованный графический ввод детали и корректировка поковки, сохранение в базе данных информации о детали, поковке и техпроцессе на любом этапе проектирования, возможность проектировать несколько деталей, поковок и карт технологических процессов на одно и то же обозначение детали, возможность архивации и актуализации объектов проектирования, доступность изменения базы нормативно-справочной информации, способность системы изменять технологию в широком диапазоне в соответствии с указаниями пользователя делают её незаменимым инструментом, если на предприятии всерьёз заинтересованы в ускорении сроков технологической подготовки производства и переходе на инновационные технологии.

Система разработана в локальном варианте. Возникают вопросы по интеграции её с PDM/PLM-системами, внедряемыми на предприятии. Не вдаваясь в технические подробности, можно сказать, что локальный вариант САПР вполне устраивает непосредственную технологическую службу, в данном случае отдел главного металлурга, или технологическое бюро, которые выпускают карты технологических процессов. САПР ВАЛ имеет свои собственные две базы данных: рабочую и НСИ. Таблицы баз данных содержат основные и вспомогательные поля, без которых невозможно было бы сохранить всю необходимую информацию. Некоторые параметры запрограммированы в виде триггеров и сложных запросов, выполняющихся в самой базе данных. Взаимодействие таблиц и обзоров (представлений) выполнено с наибольшей информационной точностью и адекватностью, необходимой для решения конкретных расчётных задач. Программирование системы выполнялось с учётом заранее разработанных таблиц. Для представления объёмной модели и размеров были разработаны соответствующие классы и структуры данных.

Таким образом, при внедрении PDM/PLM-систем на предприятии неминуемо возникает вопрос о соотношении уже работающей локальной САПР ТП ковки и внедряемой системой управления жизненным циклом изделия. Как показал опыт разработки и использования САПР ВАЛ, с помощью тех средств, которые предоставляют универсальные программные комплексы, невозможно разработать системы проектирования процессов ковки такого же высокого уровня, какого они достигают при индивидуальной разработке локальной САПР. Причины такой ситуации частично были изложены выше. Одна из главных причин состоит в том, что все известные системы PDM/PLMявляются в основном системами документооборота, т.е. они решают задачи планирования, сопровождения, контроля конструкторской и технологической подготовки производства. Непосредственно проектирующая часть таких систем нацелена, прежде всего, на процессы механической обработки, сборки, отчасти сварки, холодной листовой штамповки и других наиболее лёгких с точки зрения формализации процессов. Ни в одной из PDM/PLM-систем нет подсистемы, проектирующей в полном объёме процессы свободной ковки.

Отсюда следуют два решения: либо разрабатываемые САПР ТП ковки должны быть изначально встроены в PDM/PLM-систему, либо локальная САПР ТП ковки должна уметь обмениваться необходимой информацией с PDM/PLM-системой, т.е. брать и предоставлять необходимые данные. Первый вариант предполагает договорные отношения создателей локальной САПР с компанией – головным разработчиком системы управления жизненным циклом изделия. Второй вариант представляется более реалистичным и правильным, если локальная САПР ТП уже внедрена на предприятии и активно используется в технологической подготовке производства. Во-первых, локальная система разработана с учётом всех требований заказчика, как по функциональности, так и по интерфейсу. Во-вторых, практически невозможно в рамках прав доступа к базе данных PDM/PLM-системы сформировать такие таблицы и запросы, которые смогли бы достичь такого же уровня полноты и корректности, который достигается в случае локальной базы данных, когда буквально каждый запрос на получение данных по определённым правилам тщательно выверен и протестирован разработчиком системы. Нужно также учитывать такой фактор, как использование уже разработанных классов и структур данных, которые неминуемо придётся переделывать при использовании базы данных PDM/PLM. Трудности, описанные выше, возникают даже при открытости таблиц баз данных PDM/PLM-системы. Если же к ним вообще нет никакого доступа, то это делает интеграцию невозможной.

На первом этапе внедрения PDM/PLM-систем приоритетными являются требования по автоматизации процесса документооборота. Исходя из этого, концепция интеграции локальной САПР ТП ковки с системой электронного документооборота будет заключаться в создании механизма обмена информацией на уровне баз данных.

Предполагается создание специальных программных  модулей, которые будут перекачивать информацию из баз данных САПР ТП ковки в базу данных PDM/PLM-системы и обратно, из PDM/PLM-системы в САПР ТП. Из PDM/PLMв САПР ТП передаются общие нормативно-справочные данные, например марочник сталей и сплавов и сортамент проката, из которого выбирается заготовка для изготовления поковки. Создание таких программ-обменников возможно только при соблюдении юридических норм и согласования с правообладателем. Другим важным аспектом является техническая возможность обмена данными. Для разработки обменников и использования информации из PDM/PLM-систем они должны быть открыты. Иными словами, к данным PDM/PLMдолжен быть разрешён доступ из других приложений сторонних разработчиков. Даже если представить, что такой доступ будет предоставлен, имеющиеся таблицы с исходными данными не будут удовлетворять потребностям САПР ТП ковки, поскольку в силу специфики проектирования технологии кузнечного производства требуется наличие дополнительных данных. Эти данные необходимы исключительно для технологического процесса ковки, поэтому заполнять ими нормативную базу для всего предприятия считаем нецелесообразным. Создание, отладка и тестирование САПР ТП ковки с «довеском» в виде большой PDM/PLM-системы, которая должна быть ещё приобретена за определённую стоимость, намного затруднительнее и требует большего времени, чем разработка локальной САПР. И последний аргумент в пользу локальной разработки, как было отмечено выше, заключается в том, что для САПР ковки необходимо создать дружественный и удобный интеллектуальный интерфейс, учитывающий все нюансы проектирования.

Рассмотрим конкретный пример проектирования технологического процесса ковки детали «Червяк» (рис.1) с точки зрения интеграции с PDM/PLM-системой. Стрелками вправо-внизø показаны данные, поступающие из PDM/PLM-системы в локальную САПР ТП, стрелками вправо-вверхö - данные из  локальной САПР ТП в PDM/PLM-систему. Прежде всего в локальную САПР передаются общие данные о детали и её применяемости: обозначение 1ø, наименование 2ø, размеры 3ø, изделие 4ø, узел 5ø, количество на изделие 6ø, масса детали 7ø(если она рассчитана конструктором), марка стали или сплава 8ø, группа поковки, категория прочности, твёрдость 9ø (задаются конструктором), механические свойства 10ø.В результате проектирования из локальной САПР ТП ковки в глобальную PDM\PLMсистему передаются масса поковки на 1 деталь ö1, норма расхода металла (НРМ) на 1 деталь ö2, масса поковки ö3, масса заготовки ö4, НРМ на поковку ö5, размеры заготовки ö6, размеры поковки ö7, норма времени на ковку ö8, список фамилий – разработчиков техкарты и дата разработки технологического процесса ö9, номер карты технологического процесса ö10.

 

 

Таким образом, в настоящий момент целесообразнее и выгоднее разрабатывать и внедрять локальные САПР технологических процессов ковки на молотах, интегрирующиеся в глобальную PDM/PLM-систему на уровне обмена информацией между базами данных. Специальный интерфейс, проектная парадигма проектирования[4] и средства архивации и актуализации САПР [5] будут способствовать успешному функционированию локальной САПР и глобальной PDM/PLM-системы на предприятии.

Работа выполнена в рамках программы Президиума РАН № 15, проект № 12-П-1-1024 и при поддержке РФФИ, грант № 13-07-00531-А.

Литература

1.  Чесноков В.С., Каплунов Б.Г., Возмищев Н.Е. и др. Разработка и применение программного обеспечения для автоматизированного проектирования и моделирования процессов ковки и горячей штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2008. №9. С. 36–44.

2.    Воронков А.В., Костюков В.Д., Шканов Д.А., Цырков А.В.. Совершенствование САПР ТП КШЦ // Труды 12-й международной конференции "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта", Москва, 16-18 октября, 2012. С. 369 – 374.

3.  Коновалов А.В., Арзамасцев С.В., Шалягин С.Д., Муйземнек О.Ю., Гагарин П.Ю. Интеллектуальная САПР технологических процессов ковки валов на молотах // Заготовительные производства в машиностроении. 2010. № 1. С. 20–23.

4.  Арзамасцев С.В., Гагарин П.Ю., Коновалов А.В. Проектная парадигма и интерфейс в гибридной САПР технологического процесса кузнечного производства // Программные продукты и системы. 2013. № 2. С. 215-220.

5.  Арзамасцев С.В., Муйземнек О.Ю. Актуализация и архивирование объектов проектирования в САПР технологических процессов ковки // Программные продукты и системы. 2008. № 3. С. 69 –72.