Автоматизированная поддержка информационных решений при выпуске изделий «под заказ» в машиностроении

А.В. Рыбаков,

к.т.н., avr48@rambler.ru,

А.А. Орлов,

Л.А. Татарова,

С.А. Шамов

МГТУ «СТАНКИН», г. Москва

Аннотация

Анализируется роль и возможности системы автоматизированной поддержки информационных решений для машиностроительных предприятий на примере процесса совмещенного проектирования основного изделия и технологической подготовки его производства.

Существующие сегодня на рынке средства автоматизации деятельности в машиностроении выросли из решения разрозненных проектных задач и процедур. Особенно это относится к проектным задачам и процедурам, связанным с двух и трехмерным геометрическим моделированием (CAD-системам) [1,2], инженерными расчетами (CAE-системы) и подготовкой управляющих программ для оборудования с ЧПУ (CAM-системы). Именно поэтому в последние годы на видное место выдвинулись работы по созданию корпоративных информационных систем на платформе PLM (product lifecycle management), организующих и упорядочивающих движение проектной информации в рамках всего проекта в целом (системы класса Workflow) [3].

В условиях, когда в машиностроении происходит неразрывное и равнозначное сочетание производственных и информационных технологий, потребители ожидают появления и распространения интегрированных инфраструктур для создания автоматизированных систем (АС) нового поколения, поддерживающих весь комплекс работ (рис. 1) по проектированию, моделированию и подготовке производства в информационно - технологической среде (ИТС). Здесь под ИТС понимаются многочисленные взаимосвязанные технические средства (оборудование, контрольно – измерительное оборудование, роботы и т.д.), объединенные локальной вычислительной сетью, и специальное программное обеспечение, определяемое как PLM/CAD/CAE/CAM/MES/SRM/CRM/ERP – системы. Все это хозяйство, управляемое с автоматизированных рабочих мест специалистами, призвано реализовать цели машиностроительного предприятия. Далее автоматизированные системы нового поколения будем именовать как системы автоматизированной поддержки информационных решений (САПИР).

САПИР призвана предоставить создателям технических систем (ТС) в машиностроении значительно более широкие возможности для повышения эффективности всего комплекса работ и, в первую очередь, проектных работ на ранних стадиях проектирования при единичном и мелкосерийном характере производства изделий широкого применения (электрические двигатели большой мощности, пресс – формы, штампы и т.д.) «под заказ». Как правило, производство таких изделий имеет большую номенклатуру с малыми программами выпуска «под заказ», а изготовление чаще всего осуществляется с использованием универсального оборудования с ЧПУ. Кроме того, для такого машиностроительного производства характерны следующие моменты: наличие различных компоновочных решений под конкретные требования заказчика, использование сложных математических расчетов, обосновывающих функциональность решения в «заказе», выполнение дизайнерских проработок внешнего вида, применение электронных систем, управляющих функционированием изделия, и т.д. Это все вместе взятое требует значительных затрат на технологическую подготовку производства (ТПП) изделий «под заказ».

В результате применения САПИР создатели ТС смогут выполнять значительную часть проектных работ на абстрактных и понятийных уровнях описания с подключением компьютерного моделирования, сводя к минимуму потребность в натурных испытаниях (рис. 2). Это, в свою очередь, позволяет организовать совмещенное проектирование основного изделия и технологическую подготовку его производства, что повышает качество и сокращает затраты на реализацию и отладку новых изделий и подготовку их производства в целом.

1. Формирование требований к объекту проектирования

Два новых понятия – повторное использование знаний [4] и совмещенное проектирование [5] – являются ключевыми при интеграции всего процесса создания технических систем «под заказ» в рамках информационно – технологической среды предприятия. Средства многократного использования инженерных знаний в компьютерном виде призваны обеспечивать хранение и вызов всей существующей и относящейся к делу проектной информации на данный момент времени. Это позволяет исполнителю привлечь к решению конкретного заказа весь проектный опыт, накопленный предприятием. Совмещенное проектирование синхронизирует всю деятельность отдельных подразделений и всех субподрядчиков так, чтобы каждая стадия разработки начиналась реализовываться с минимальной задержкой и выполнялась с учетом потребностей всего жизненного цикла создаваемой ТС в заказе.

При таком подходе к разработке наиболее существенные изменения при построении АС относятся к ранним стадиям проектирования [7]. Перемещение интеллектуальных ресурсов предприятия к начальным этапам производственной цепочки призвано снизить общий уровень затрат. САПИР включается в работу именно там, где наличие опыта и знаний, накопленных на предприятии, максимально влияет на свойства создаваемой технической системы «под заказ» и поэтому наиболее сильно сказывается на общем уровне затрат. Основные технические решения, принимаемые на начальной стадии разработки, чрезвычайно сильно влияют на возможность своевременного выпуска наукоемкого изделия. Полнота определения технических требований и разумное разбиение создаваемой технической системы на стандартные, типовые и оригинальные компоненты оказывает намного большее воздействие на снижение стоимости единицы изделия и разработку в целом, чем организация эффективной реализации и изготовления собственно изделия в производственных условиях.

Поскольку на ранних стадиях проектирования серьезные ошибки связаны с относительно высоким риском неудачи всей разработки, повышением финансовых и трудовых затрат, то оказание помощи исполнителю на этих стадиях позволяет уменьшить как вероятность появления последующих ошибок, так и минимизировать необходимость повторных переработок проекта в будущем. Известно, что стоимость исправления ошибок, выявленных на более ранних стадиях создания изделия, обходится предприятию значительно дешевле.

рис. 1. Задачи, решаемые разрозненными компьютерными компонентами, участвующими в проектировании и изготовлении изделий в машиностроении

Существующий процесс проектирования у исполнителя обычно построен таким образом, что сразу же после появления технических требований от заказчика начинаются параллельные процессы реализации проекта в рамках функциональных подразделений. Попытки проверить и подтвердить правильность и согласованность этих требований решаются путем проведения встреч и совещаний всех заинтересованных сторон, включая технических

Компьютерное проектирование технологической оснастки (CAD/ТО):

· пресс-формы для литья (металлов, пластмасс, керамики и т.д.);

· штампы;

· режущий инструмент;

· приспособления;

· мерительный инструмент.

Средства проектирования техоснастки

для изготовления основного изделия

специалистов, специалистов по маркетингу и представителей заказчиков. Однако анализ и обсуждение этих требований часто приводит к тому, что на таких совещаниях нельзя исключить их неправильное толкование. Это связано с тем, что результаты обсуждения фиксируются на естественном языке, который допускает двусмысленности, не договорённости, а иногда и заведомую ложь.

В САПИР строится компьютерная модель создаваемой технической системы.

На этой компьютерной модели исполнитель и заказчик могут выполнять анализ и оценку технических требований и степень их обеспечения в конечном решении. В итоге процедура проверки и подтверждения требований строится на результатах компьютерного моделирования с возможностью визуальной анимации последних. Это позволяет сделать процесс подготовки производства наукоемкого изделия чрезвычайно информативными и выразительными, т.е. по существу получить «виртуальный прототип» технической системы в виде графической модели объекта с самых ранних этапов исполнения заказа.

Для создания высококачественной технической системы необходимо учесть все функции, которые последней придется выполнять в течение всего срока службы. Другими словами исполнитель заказа должен убедиться, что все требования, определяющие ход проектных работ, правильны, полны и непротиворечивы. Поэтому САПИР, в первую очередь, помогает концентрировать внимание исполнителей на понимании «ЧТО НАДО СОЗДАТЬ», а не на вопросах «КАК ЭТО СДЕЛАТЬ». Это обеспечивается более полным учетом всех аспектов деятельности в рамках жизненного цикла [6].

рис. 2. Функции системы автоматизированной поддержки информационных решений

При этом считается, что техническое задание может подвергаться изменениям и развитию в ходе уточнения, а может быть и на более поздних стадиях. Эта деятельность выполняется совместно с заказчиком и заканчивается только при нахождении удовлетворяющих обе стороны компромиссов. Только полностью согласованное с заказчиком техническое задание становится отправной точкой для проведения всего комплекса работ по исполнению заказа.

Автоматизированная проверка технических требований основывается на двух моментах, включающих:

· способ полного и взаимосвязанного описания требований заказчика;

· наличие инструментальных средств, позволяющих проверить эти описания в компьютерной среде на непротиворечивость.

Указанные моменты учитываются в рамках «компьютерной модели объекта заказа», которая в формализованном виде содержит требования к ней. На этой стадии основу для моделирования составляет такое определение технической системы, в котором конкретные решения, связанные с применением расчетных, функциональных и механических блоков и узлов еще определены только в общем виде. Это обеспечивает исполнителю полную свободу для описания и изучения функциональных потоков и компонентов технической системы и выбору рационального способа ее реализации.

Автоматизированная проверка технических требований по сравнению с ручной проверкой способна не только сократить число ошибок исполнителя, но и призвана обеспечить более тщательное проведение данной работы. Экспериментировать с компьютерной моделью значительно дешевле и проще, чем проводить испытания с натурными физическими моделями или макетами. В результате исполнитель получает возможность заранее анализировать и учитывать особенности технических требований к проектируемой системе конкретного заказчика.

2. Организация совмещенного проектирования основного изделия и технологической оснастки для его производства

Внедрение средств повторного использования проектных решений и синтеза не только позволяет уменьшить численность проектных коллективов, но и существенно изменить требования к составу исполнителей. В результате использования САПИР эти группы комплектуются специалистами разного профиля, поскольку при новых подходах к проектированию все аспекты разработки технической системы могут прорабатываться параллельно, т.е. совмещать деятельность различных исполнителей во времени. В этом случае проектная группа окажется в состоянии полностью охватить всю совокупность показателей и характеристик проекта и принять квалифицированные технические решения в нужное время.

Правилом при комплектовании проектных коллективов является включение в их состав исполнителей по расчетам, конструированию, технологической подготовке производства, которые одновременно отрабатывают все аспекты создаваемой технической системы. Средства проектирования, используемые каждым исполнителем группы, имеют доступ к общим базам знаний и данным. Для полного охвата всего круга вопросов создания технических систем в такие проектные коллективы включены также специалисты по маркетингу, надежности, испытаниям, эксплуатационному обслуживанию и т.д.

Такое сотрудничество исполнителей из разных областей техники дает многочисленные преимущества. Комплексный подход с объединением разных исполнителей в одном коллективе облегчает контроль и управление такими вопросами, как согласованные технические требования, используемые ресурсы и управление качеством и сроками реализации. Модель организации деятельности при совмещенном проектировании основного изделия и технологической оснастки для его производства приведена на рисунке 3. На основе данной модели строится «дерево проекта» для исполнения конкретного заказа.

При работе по методу совмещенного проектирования основного изделия и ТПП для его изготовления каждый исполнитель может рассчитывать, что конечные характеристики проектируемой технической системы станут ему известны в момент возникновения, и он может сравнить эти характеристики с требованиями и ограничениями технического задания. Но чтобы иметь действительно содержательные прогнозные данные, исполнителю потребуются все перечисленные выше средства проектирования: средства анализа проектов на высоких уровнях описания, развитые компьютерные базы знаний, средства синтеза проектных решений и общая база данных.

рис. 3. Модель организации конструкторско – технологической подготовки производства при совмещенном проектировании основного изделия и технологической оснастки для его изготовления

Опыт использования совмещенного проектирования при производстве электродвигателей большой мощности позволил достичь следующих показателей [6]:

· время подготовки производства электродвигателей снижено с 8000 до 800 часов;

· объем заказов на конструктивные изменения сокращен более чем на 50%;

· количество неудачных проектных решений и объем доработок снижен – на 75%.

САПИР помогают разработчикам быстро создавать высоконадежные технические системы высокого уровня сложности «под заказ» при мелкосерийном и единичном характере производства в условиях совмещенного проектирования основного изделия и ТПП его изготовления (рис. 4). Средства проектирования и моделирования на высоком уровне описания позволяют подробно исследовать создаваемую техническую систему и оценить ее параметры и характеристики на компьютерной модели задолго до начала конкретной деятельности и до начала реализации собственно проектных решений. По мере движения по проектной иерархии сверху вниз исполнители смогут в полной мере использовать накопленные проектные решения и средства синтеза новых решений. А метод совмещенного проектирования гарантирует, что при реализации технической системы будут в полной мере учтены все требования и ограничения к ней.

В результате разработчики смогут больше времени и сил отдавать проектированию на высоком уровне описания, будучи уверенными, что последующая реализация технических решений пройдет у них быстро и без ошибок.

3. Роль и место САПИР при интеллектуализации деятельности

Роль и место САПИР при интеллектуализации деятельности технолога на примере подготовки управляющих программ для механической обработки деталей на оборудовании с ЧПУ показаны на рисунке 5.

Применение САПИР при конструкторско – технологической подготовке производства наукоемких изделий представляет следующие возможности:

· сокращение непроизводственных затрат и повышение эффективности деятельности в 3 – 4 раза;

· резкое снижение затрат времени и финансов на выполнение конструкторско - технологической подготовки производства;

· снабжение исполнителя всеми возможностями для самостоятельного получения конечного результата с учетом накопленного опыта;

· возможность работы на будущие потребности клиента;

· ускоренное продвижение новых технологий.

рис. 4. Реорганизация процесса подготовки производства нового изделия

рис. 5. Роль и место САПИР при интеллектуализации деятельности технолога в условиях информационно – технологической среды

Литература

1. Рыбаков А.В. Обзор существующих CAD/CAE/CAM-систем для решения задач компьютерной подготовки производства. - Информационные технологии, 1997, №3, с. 2-8

2. Рыбаков А.В. Особенности выбора графической среды для промышленного проектирования объектов машиностроения. "Информационные системы", 2002, №5, с. 13-20.

3. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Павлов В.В., Рыбаков А.В. Информационно-вычислительные системы в машиностроении CALS – технологии/ М.: Наука, 2003, 292 с.

4. Рыбаков Анатолий, Евдокимов Сергей, Краснов Андрей, Никонов Николай Переход от традиционных стандартов предприятия к компьютерным базам знаний. CAD/CAM/CAE Observer, 2003, №3 (12), стр. 14-20

5. Рыбаков А.В., Евдокимов С.А., Краснов А.А., Шептунов С.А. Организация совмещенного проектирования основного изделия и технологической оснастки на основе системы автоматизированной поддержки информационных решений. CAD/CAM/CAE Observer, 2003, №2 (11), стр. 13-19

6. Рыбаков А.В., Евдокимов С.А., Мелешина Г.А. Создание автоматизированных систем в машиностроении. М., Станкин, 2001, 157с.

7. Лайкер Дж., Морган Дж. Система разработки продукции в Тоyota: люди, процессы, технологии.- М.: Альпина Бизнес Букс, 2007.-440с.