Методы использования PLM-решений при проектировании технологических процессов

Е.И. Яблочников, к.т.н., доцент

Ю.Н. Фомина, аспирант

СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург

В.И. Молочник, к.т.н.

СП ЗАО «Би Питрон», Санкт-Петербург

PLM-решения представляют собой реализацию принципов ИПИ/CALS и направлены на информационную и программную поддержку этапов жизненного цикла изделий. К PLM-решениям относятся системы PDM/CAD/CAE/CAM, обладающие высоким уровнем функциональности и информационной интеграции. Они обеспечивают автоматизацию решения задач проектирования и подготовки производства, позволяют организовать работу над проектом в едином информационном пространстве предприятия.

Автоматизация проектирования технологических процессов (ТП), как известно, обеспечивается за счет создания специализированной системы – САПР ТП. Поскольку САПР ТП является одной из центральных частей АСТПП, необходимо рассмотреть вопросы создания САПР ТП в рамках методологии построения АСТПП в целом.

В нашей стране вопросам создания АСТПП всегда уделялось большое внимание, а первые АСТПП начали создаваться еще в 60-х годах двадцатого века. Однако та вычислительная база, на которой строились АСТПП до начала 90-х годов, не позволяла обеспечить необходимую эффективность и реальную комплексность процессов автоматизации. Тем не менее, в этих условиях был выработан ряд базовых принципов, на основе которых строились АСТПП. Они остаются справедливыми и в настоящее время, однако, не дают ответа на вопрос: как нужно строить АСТПП в современных условиях, с учетом глобализации промышленного производства, использующего такие формы кооперации, как создание расширенных и виртуальных предприятий. При построении АСТПП необходимо также учитывать новые возможности современных информационных технологий, тенденцию к непрерывной информационной поддержке всех этапов жизненного цикла изделий и развитие ИПИ-технологий, появление новых базовых средств компьютеризации процессов проектирования и подготовки производства (CAD/CAM, CAE и PDM-систем).

В современной науке можно отметить достаточно большое число работ, посвященных общей концепции автоматизации промышленного производства и общей методологии инженерной деятельности. Однако, в них отсутствует детальное исследование конкретной предметной области – технологической подготовки производства. В связи с этим необходимо выявить требования к архитектуре и методам построения АСТПП с учетом появления не только новых базовых средств автоматизации, но и новых методов создания сложных информационных систем. Не менее важно также выявить влияние происходящих процессов глобальной трансформации производства на методы и средства автоматизации ТПП. Исследование этих вопросов позволяет построить методологическую основу для создания АСТПП в современных условиях, для повышения эффективности технологической подготовки приборостроительного производства.

Необходимо выделить наиболее существенные (глобальные) факторы, влияющие на методологию построения АСТПП. Первым из таких факторов является используемая методология построения сложных информационных систем. Вторым фактором является совокупность характеристик рассматриваемой (автоматизируемой) предметной области, т. е. совокупность тех характеристик современного производства, которые существенно влияют на методы автоматизации. И наконец, третьим глобальным фактором можно считать совокупность используемых инструментальных средств.

Далее необходимо конкретизировать векторы характеристик указанных глобальных факторов. Проведенный анализ показывает, что в качестве основных принципов построения архитектуры АСТПП с учетом современных тенденций развития промышленного производства и новых информационных технологий можно выделить следующие.

1. Организация работы конструкторов, технологов и других специалистов в едином информационном пространстве ТПП.

2. Использование объектно-ориентированной модели ТПП.

3. Ориентация на новые организационные формы ТПП.

4. Учет центральной роли 3D модели изделия.

5. Использование PLM-решений в качестве инструментальных средств.

Важными являются также организационные аспекты создания АСТПП в условиях реинжиниринга ТПП предприятия и с использованием интегрированных PLM-решений. Задача создания АСТПП по уровню своей сложности относится к категории сложных проектов, где понятие “проект” понимается в широком смысле, как некоторый вид целенаправленной деятельности. Реализация проектов создания АСТПП требует дать предварительную оценку положения дел в сфере ТПП на предприятиях отечественного приборостроения и машиностроения. В настоящее время одной из наиболее сложных проблем является нарушение преемственности поколений инженерного персонала, недостаток в квалифицированных специалистах (конструкторах, технологах, системных аналитиках, прикладных программистах и др.), наличие которых необходимо для успешной реализации проекта создания АСТПП. В связи с этим реализация проекта должна выполняться с участием специализированных сторонних организаций.

В составе участников проекта создания АСТПП со стороны предприятия участие в проекте принимают две группы специалистов: 1) специалисты, владеющие спецификой предметной области (ТПП) и являющиеся потенциальными пользователями АСТПП; 2) специалисты, владеющие вопросами создания, поддержки и эксплуатации сложных информационных систем. К сторонним организациям (инжиниринговым фирмам), участвующим в проекте создания АСТПП, относятся: 1) фирмы – поставщики CAD/CAM, CAE и PDM-систем (осуществляющие не только поставку, но также обучение и сопровождение); 2) фирмы, специализирующиеся в области проведения реинжиниринга бизнес-процессов и обеспечивающие поддержку методологии реинжиниринга, включая поставку средств моделирования бизнес-процессов; 3) инжиниринговые фирмы, выполняющие различные виды работ в области проектирования и подготовки производства (например, геометрическое моделирование сложных изделий, виртуальное моделирование и анализ технологических процессов формообразования, разработка управляющих программ для многокоординатного оборудования с ЧПУ и др.). Состав участников проекта структурируется в соответствии с методами проведения реинжиниринга бизнес-процессов предприятия.

Как известно, АСТПП является сложной информационной системой. Для создания АСТПП предлагается использовать унифицированный процесс RUP (Rational Unified Process). Унифицированный процесс является развитием спиральной модели Боэма и разработка программной системы в этой идеологии организуется в виде эволюционно-инкрементного жизненного цикла. Эволюционная составляющая цикла основывается на доопределении требований в ходе проектирования, инкрементная составляющая – на планомерном приращении реализации требований, или на пошаговом наращивании возможностей системы. После выделения самых опасных рисков организуется планирование и выполнение действий по созданию системы, которые закреплены за данной итерацией. По завершению итерации производится оценка результатов выполнения этой итерации. В случае неудовлетворительных результатов пересматривается план проекта и итерация повторяется.

Важнейшей частью унифицированного процесса является системный предпроектный анализ ТПП с использованием средств визуального моделирования. В работе проводится исследование различных средств визуального моделирования (IDEF, UML, ARIS, ADONIS) для целей ТПП. Оно показывает, что для предпроектного анализа целесообразно использовать методологию IDEF или ADONIS. На основе этих методик создаются модели существующих и новых бизнес-процессов, а при переходе к проектированию АСТПП используется методика UML, ориентированная на объектно-ориентированное представление модели предметной области, которое допускает адекватную реализацию модели средствами PDM-системы. В результате такой реализации создается основа единого информационного пространства ТПП.

Другим направлением информационного анализа является изучение способов управления знаниями, где следует различать два аспекта. Первый – это формирование знаний, т.е. разработка, документирование, мониторинг, поддержка и совершенствование стратегий, процессов, организационных структур и технологий эффективной обработки знаний в рамках ТПП. Второй аспект – это способы и средства непосредственного использования знаний в ТПП. Процессы формирования и использования знаний выполняются параллельно и их трудно отделить друг от друга, поэтому необходим интегральный взгляд на оба этих процесса. Проводимое в работе исследование дает детальную структуризацию знаний в сфере ТПП, образующую основу для последующего управления ими.

Существенной трудностью построения архитектуры АСТПП является большое разнообразие возможных вариантов. Поэтому необходимо определить метрики, на основе которых можно было бы выполнять хотя бы приближенную оценку возможных вариантов автоматизации ТПП, выделять опасные риски и в процессе итераций последовательно их пересматривать и минимизировать. На основе проведенных исследований разработан ряд метрик, пригодных для общей оценки проектов. В основу этих методик положено понятие «пространство автоматизации», которое образовано составляющими по трем направлениям: этапы разработки проекта; виды обеспечения этапов разработки; подсистемы и задачи ТПП. В работе конкретизируются способы построения пространства автоматизации и рассматриваются способы его использования.

Основой функционирования АСТПП как сложной информационной системы является единое информационное пространство (ЕИП) ТПП, в основе которого лежит обобщенная концептуальная модель предметной области. Концептуальная модель состоит из концептуальных объектов предметной области ТПП, отражающих объекты с которыми необходимо манипулировать на стадии ТПП.

Можно выделить следующие группы концептуальных объектов: конструкционные объекты (изделие, сборочная единица, деталь и т. д.); технологические объекты (исходная заготовка, операционная заготовка, технологический процесс, операция, технологический переход, оборудование, технологическая оснастка и т. д.); нормативные объекты (содержатся в справочниках, каталогах, стандартах и базах данных с нормативно-справочной информацией); управляющие объекты (план-графики выполнения работ ТПП, распоряжения на их выполнение и т. д.). Концептуальные объекты связываются между собой ассоциациями типа: "целое - часть", "род - вид", "имеет - принадлежит". Концептуальная модель предметной области образуется путем определения концептуальных объектов и организации связей между ними. Концептуальные объекты выражаются с помощью разнообразных моделей, отражающих состояние изделия. Анализ показывает, что можно выделить следующие группы моделей: графические, текстовые, параметрические.

Следующим шагом в построении ЕИП является создание, на базе концептуальной модели, логической модели предметной области. Для этого используется объектно-ориентированный подход. Для концептуальных объектов разрабатываются классы данных и определяются связи между ними. Для каждой группы концептуальных объектов создается свой комплекс классов. Для каждого класса определены его свойства и методы, позволяющие для объектов класса задать идентификационные и поисковые параметры; параметры, относящиеся к жизненному циклу и состоянию объекта, а так же ссылки на файлы с моделями объекта. Классы объектов, объединенные ассоциациями типа "целое - часть", "имеет - принадлежит" образуют логическую модель предметной среды ТПП, которая реализуется средствами PDM-системы.

Важнейшим факторов успешного функционирования АСТПП является интеграция ее подсистем с внешними по отношению к АСТПП системами (подсистемами). Такая интеграция должна быть основана на информационной, функциональной, программной и организационной совместимости этих подсистем. Исследование информационной совместимости позволяет выделить два вида совместимости: параметрическую и структурную. Необходимость в параметрической совместимости вызвана тем, что выходные параметры одной подсистемы могут служить входными параметрами для другой подсистемы.

Автоматизация проектирования маршрутно-операционных технологических процессов (ТП) обеспечивается путем разработки специальных приложений на основе использования инструментальных средств PLM. Эти приложения должны быть тесно интегрированы с PDM-системой с целью обеспечения работы технолога в среде ЕИП, а также с целью устранения дублирования баз данных по технологическому оборудованию, оснастке и инструменту. Такая интеграция, в частности, может быть достигнута за счет непосредственной реализации функций проектирования ТП в среде PDM-системы средствами API. Практическая реализация такой САПР ТП выполнена средствами API PDM-системы SMARTEAM.

Использование САПР ТП тесно связано с вопросами управления процессами ТПП в открытой информационной среде. Управление должно строиться на основе современных форм кооперирования, наиболее развитой и эффективной из которых является виртуальное предприятие.

Наиболее современным подходом является организация распределенной ТПП на основе концепции виртуального предприятия. Как показывает анализ, в сфере ТПП предметом кооперации в подавляющем большинстве случаев является проектирование и изготовление нестандартного оборудования (НСО), оснастки и инструмента. Однако работы по проектированию и изготовлению НСО носит “нетиповой” характер и не позволяют малым предприятиям-субподрядчикам специализироваться в данной области. Напротив, такие работы как, например, проектирование и изготовление пресс-форм и штампов создают хорошую основу для специализации в силу их типового характера, достаточно высокого уровня сложности и большого числа заказов на данный вид работ.

При развитой кооперации между заказчиками и исполнителями неизбежно возникает необходимость организации их взаимодействия не только на уровне обмена геометрической информацией в электронном виде, но и на уровне совместного использования информации о выпускаемом продукте, его структуре, составе выполняемого проекта в целом. Это подразумевает реализацию на практике концепции CPC (Collaborative Product Commerce) в условиях отечественных промышленных предприятий. При этом необходима интегрированная система, которая обеспечит работу всех участников виртуального предприятия в ЕИП. Такие возможности обеспечиваются PDM-системой.

Малые предприятия, специализирующиеся на проектировании и изготовлении оснастки, а также инструментальные цеха средних и крупных предприятий, принимающие заказы “со стороны” образуют конкурентную среду, так что ОЕМ-предприятие может осуществлять выбор субподрядчика на основании того или иного критерия. Эта конкурентная среда предприятий может рассматриваться как информационно-управленческая среда виртуального предприятия, генерирующая активные сети для выполнения различных заказов.

Учет поступающих заказов и контроль за ходом выполнения работ в виртуальном предприятии может быть, в частности, реализован на базе PDM SMARTEAM. С помощью этой же системы можно решать такие задачи, как накопление банка данных по ресурсам участников виртуального предприятия, подбор участников для объединения в активную сеть в соответствии с изложенным выше оптимизационным подходом, контроль уровня цен по всем видам услуг.

Участники виртуального предприятия выступают как равноправные партнеры, и с этой точки зрения наиболее адекватным математическим аппаратом для описания взаимодействия участников является теория коалиционных игр. В связи с этим предлагается алгоритм организации совместной работы участников виртуального предприятия, построенный на основе использования данной теории. При этом задача оптимального распределения заказов решается с применением одного из генетических алгоритмов (ГА). ГА, один из методов оптимизации, основан на понятии естественного отбора и эволюционных процессов. В базовой методике создание и отбор новых популяций (решений) повторяется до достижения критерия остановки. Очередная популяция следующего поколения создается путем скрещивания и мутации элементов до тех пор, пока не будут получены все возможные варианты популяций. После достижения критерия остановки, как оптимальное решение отбирается решение, обладающее лучшим сочетанием качеств.

Перспективным направлением в развитии методов управления ТПП является использование многоагентных технологий. Многоагентные (мультиагентные) технологии могут применяться при совместном решении задач ТПП в среде виртуального предприятия, когда в открытой информационной среде существуют общедоступные описания рынка заказов и рынка услуг. Под агентом понимается объект, существующий в среде, где он может выполнять определенные действия, который способен к восприятию части среды, может общаться с другими агентами и обладает автономным поведением, являющимся следствием его наблюдений, знаний и взаимодействий с другими агентами. В зависимости от уровня собственной сложности, агент может заниматься отработкой принимаемых сообщений и посылкой сообщений другим агентам, планированием действий и их согласованием с другими агентами. При реализации агентов в виде программных модулей PDM-системы, инициализация их работы может происходить: в результате некоторого “внешнего” события, например, поступления заказа на выполнение работы; через заданные интервалы времени; при поступлении сообщений от других агентов.

Еще одним перспективным направлением в создании САПР ТП является реализация методов проектирования технологических процессов на основе 3D моделей изделий. Повышение роли 3D-моделей, их «смещение» от CAD/CAM и CAE-систем к PDM-системам и системам моделирования производственных процессов является важнейшей современной тенденцией развития PLM-технологий. Однако, если методы работы с 3D-моделями при проектировании изделий хорошо развиты, то использование 3D-моделей при разработке маршрутно-операционных ТП пока носит характер научных исследований.

Важнейшей современной тенденцией развития PLM-технологий является повышение роли 3D-моделей, их «смещение» от CAD/CAM и CAE-систем к PDM-системам и системам моделирования производственных процессов. Эти тенденции, в частности, находят отражение в разработках компании Dassault Systemes. Декларируя создание «3D пространства сотрудничества», компания стремится обеспечить использование виртуальных моделей на всех этапах процесса проектирования и изготовления нового изделия. Однако, если методы работы с 3D-моделями при проектировании изделий хорошо развиты, то использование 3D-моделей при разработке ТП пока носит характер научных исследований.

Одним из подходов, обеспечивающих переход технолога в среду 3D, является построение маршрутно-операционного ТП в виде последовательности операционных заготовок, отображающих последовательные состояния детали при ее обработке. Это построение может быть выполнено, например, в системе CATIA, где имеется возможность задания технологических характеристик детали непосредственно на 3D-модели. Используя эту информацию, технолог может строить в CAD-системе модели операционных заготовок параллельно с формированием ТП, описание которого помещается в дерево «продукт – процесс – ресурс» проекта. Сформированный таким образом ТП передается далее в PDM SMARTEAM или в «традиционную» САПР ТП для получения комплекта технологической документации.

Еще один важный аспект использования 3D моделей заключается в группировании деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ. Ключевую роль при групповом методе организации производства играет группирование деталей, основанное на унификации и стандартизации конструкторских и технологических решений. Однако, наиболее проработанными на сегодняшний день являются вопросы группирования деталей типа тел вращения, тогда как группирование деталей, имеющих неплоские и нецилиндрические поверхности, которые обрабатываются методом фрезерования на станке с ЧПУ, рассматриваются в основном лишь на теоретическом уровне. Этот пробел становится все более заметным в условиях повышения роли фрезерного оборудования с ЧПУ (включая многокоординатное) в современном приборостроительном и машиностроительном производстве.

Анализ показывает, что в связи с характерными особенностями деталей, обрабатываемых на фрезерных станках с ЧПУ и особенностями CAD/CAM-систем, наряду с группированием деталей по единству применяемых средств технологического оснащения и наладки станка, необходимо выделять подобные детали по общности поверхностей, обрабатываемых по типовым схемам. Также нужно учитывать в CAM-системах наличие двух классов траекторий движения инструмента – эквидистантным обрабатываемым поверхностям и с осуществлением многослойной выборки материала между обрабатываемыми поверхностями и поверхностями заготовки.

3D модели деталей позволяют также строить унифицированные технологические операции фрезерной обработки на станках с ЧПУ. Как известно, при проектировании групповых ТП механической обработки за основу берется комплексная деталь. Однако, при проектировании фрезерной обработки комплексная деталь должна содержать максимальное количество зон обработки, определяемых по указанным выше признакам. Проведенный анализ принципов построения комплексной детали позволил построить методику проектирования унифицированных фрезерных операций с применением CAD/CAM-систем. Методика предполагает формирование базы данных комплексов признаков, используемых при группировании, и комплексов параметров, определяющих унифицированные траектории движения инструмента, а также применение правил выделения характерной детали группы, что в совокупности обеспечивает существенное сокращение сроков разработки управляющих программ для фрезерного оборудования с ЧПУ.

Проведенный комплекс исследований позволяет строить САПР ТП не как некоторую автономную систему, а как центральное звено АСТПП, тесно интегрированное с остальными компонентами АСТПП и с внешними системами за счет использования возможностей современных PLM-решений.

Литература

1. Зильбербург Л.И., Молочник В.И., Яблочников Е.И. Реинжиниринг и автоматизация технологической подготовки производства в машиностроении. СПб: “Политехника”, 2004. – 152 c.

2. Куликов Д.Д., Яблочников Е.И. Проектирование операционных заготовок с использованием трехмерных CAD-систем. // Известия вузов. Приборостроение. Т.44, №9, 2001, с. 65-70.

3. Рынок PLM растет и развивается. Обзор рынка PLM по материалам CIMdata // CAD/CAM/CAE Observer, №2, 2003, c. 4-8.

4. Яблочников Е.И. Методологические основы построения АСТПП / СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. – 84 c.

5. Smirnov A., Pashkin M., Chilov N., Levashova T., Krizhanovsky A. Agent-Based Intelligent Support to Coalition Operations: A Case Study of Health Service Logistics Support. (eds. Shalamanov, V., Johnson, G., Fay, J.) Information & Security. An International Journal. IT in Coalition and Emergency Operations. ProCon Ltd., Sofia, ISSN: 1311-1493, Volume 16, 2005. 41-61.