Система автоматизированного проектирования изделий (САПР)

Система автоматизированного проектирования изделий (САПР) В современных условиях конкурентной борьбы за финансовоемкий рынок, должно осуществляться повышение качества выпускаемых изделий и снижение стоимости ЖЦИ. В связи с возрастающей сложностью изделий, выпускаемых машиностроительной отраслью, и соответствующим увеличением стоимости и сроков их разработки, в промышленности происходит интенсивное внедрение и постоянное обновление методов автоматизированного проектирования. Именно это направление развития методов проектирования совместно с использованием постоянно возобновляемого научно-технического задела обеспечило резкое сокращение сроков, повышение качества создания новых изделий и снижение стоимости его эксплуатации. В настоящее время под САПР (Системы Автоматизированного Проектирования) понимается комплекс программно-аппаратных средств автоматизации проектных, конструкторских, технологических и производственных работ. Основой любой САПР является математическая модель создаваемого изделия. Понятие модели является одним из основополагающих в науке. Одно из определений модели звучит так: «моделью называется объект любой природы, который способен замещать исследуемый объект так, что его изучение дает новую информацию об этом объекте». Частным случаем модели является математическая модель. В настоящее время, необходимым условием устойчивого положения предприятий на внутреннем и внешнем рынках является интегрированное применение информационных технологий поддержки всех этапов жизненного цикла продукции (CALS-технологий, PLM- системы). CALS–технологии – это методы, позволяющие использовать преимущества сквозной автоматизации всего процесса создания и эксплуатации изделия, носят название CALS–технологий. PLM (Product Lifecycle Management) (жизненный цикл изделия) — технология управления жизненным циклом изделий. Организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии и связанных с ним процессах на протяжении всего его жизненного цикла, начиная с проектирования и производства до снятия с эксплуатации. При этом в качестве изделий могут рассматриваться различные сложные технические объекты (корабли и автомобили, самолёты и ракеты, ГТУ, компьютерные сети и др.). CALS-технологи – современный подход к проектированию и производству высокотехнологичной финансовой и наукоёмкой продукции (корабли и автомобили, самолёты и ракеты, ГТУ, компьютерные сети и др.), заключающийся в использовании компьютерной техники и современных информационных технологий на всех стадиях жизненного цикла изделия. За счет непрерывной информационной поддержки обеспечиваются единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции, поставщиков/производителей продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала. Информационная поддержка реализуется в соответствии с требованиями системы международных стандартов, регламентирующих правила указанного взаимодействия преимущественно посредством электронного обмена данными. Применение CALS-технологий позволяет существенно сократить объёмы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в унифицированных форматах данных сетевых серверов, доступных любому пользователю технологий CALS. Существенно облегчается решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций и т. п. Предполагается, что успех на рынке сложной технической продукции будет немыслим вне технологий CALS. Среди несомненных достижений CALS-технологий следует отметить лёгкость распространения передовых проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках и др. Одна и та же конструкторская документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация — адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и производства. Кроме того, упрощается эксплуатация систем. Применение CALS-технологий обеспечивает сокращение производственного цикла, уменьшение затрат и повышение качества продукции. Для предприятия, выпускающего высокотехнологичную финансово и наукоёмкую продукции, отставание в освоении CALS-технологий может привести к ощутимым потерям как на внешнем, так и на внутреннем рынках. Развитие CALS-технологий должно привести к появлению так называемых виртуальных производств, в которых процесс создания спецификаций с информацией для программно управляемого технологического оборудования, достаточной для изготовления изделия, может быть распределён во времени и пространстве между многими организационно-автономными проектными студиями. Построение открытых распределённых автоматизированных систем для проектирования и управления в промышленности составляет основу современных CALS-технологий. Главная проблема их построения — обеспечение единообразного описания и интерпретации данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и эксплуатационной документации, языки её представления должны быть стандартизированными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделённых во времени и пространстве и использующих разные CAD/CAM/CAE-системы. Большое влияние на методологию разработки изделия оказывает внедрение высокоэффективных систем автоматического проектирования. CAD/CAM/CAE-системы позволяют выполнить большое количество итераций проекта для определения оптимальных решений. Междисциплинарные расчеты высокого уровня, объединяющие математические модели газодинамических, тепловых процессов и напряженно-деформируемого состояния элементов конструкции, позволяют разработчикам намного быстрее анализировать полученные результаты и принимать правильные технические решения. CAD (Computer-Aided Design), что дословно переводится как Проектирование с помощью компьютера. Подсистема CAD предназначена для автоматизации проектных, конструкторских и чертежных работ на современных промышленных предприятиях CAM (Computer-Aided Manufacturing), Изготовление с помощью компьютера. Подсистема CAM обеспечивает автоматизированную подготовку управляющих программ для оборудования с ЧПУ на основе математической модели детали, созданной в подсистеме CAD CAE (Computer-aided engineering), Расчет с помощью компьютера. CAE — общее название для программ и программных пакетов, предназначенных для решения различных инженерных задач: расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов часто основана на численных методах решения дифференциальных уравнений (метод конечных элементов, метод конечных объёмов, метод конечных разностей и др.). Современные системы автоматизации инженерных расчётов (CAE) применяются совместно с CAD-системами (зачастую интегрируются в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы). CAE-системы позволяют при помощи расчётных методов оценить, как поведёт себя компьютерная модель изделия в реальных условиях эксплуатации. Помогают убедиться в работоспособности изделия, без привлечения больших затрат времени и средств. Для снижением стоимости ЖЦИ необходимо: при разработке - применять унифицированные, экспериментально отработанные решения и интеллектуальные CAD/CAE, системы снижать массу и число деталей; при производстве - применять высокопроизводительные технологические процессы и CAM-системы; при эксплуатации - увеличивать ресурс, снижать трудоемкость и стоимость технического обслуживания. Производство новых изделий требует постоянного совершенствования технологических процессов (ТП), разработки и внедрения новых методов и средств обработки, обеспечивающих постоянно растущие требования по качеству и эксплуатационной надежности. Технология изготовления деталей, узлов и изделия в целом в значительной степени определяет ресурс изделия, трудоемкость и себестоимость. Основными направлениями совершенствования технологических процессов производства деталей и сборочных единиц являются: создание новых и совершенствование традиционных методов получения заготовок и их обработки, в т.ч. с применением технологических CAD и CAM систем. Применение высокопроизводительных, с высокой прогнозирующей способностью, средств проектирования позволяет избежать дорогостоящих ошибок, выявляющихся при проведении испытаний или в процессе эксплуатации. Они позволяют точнее планировать техническое обслуживание, уменьшить затраты на всех этапах ЖЦИ. Помимо программных продуктов при проектировании и изготовлении изделия необходимо наличие развитой информационной базы по параметрам, областям применения, конструктивным схемам и элементам конструкции изделия имеющемуся оборудованию, инструменту и технологической оснастки (PDM системы). Такая систематизированная информация в сочетании с методиками различных инженерных расчетов составляет информационное поле разработки и производства изделия. PDM-система (Product Data Management — система управления данными об изделии) — организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии. При этом в качестве изделий могут рассматриваться различные сложные технические объекты. PDM-системы являются неотъемлемой частью PLM-систем. Базовые функциональные возможности PDM-систем охватывают следующие основные направления: управление хранением данных и документами управление потоками работ и процессами управление структурой продукта автоматизация генерации выборок и отчетов механизм авторизации С помощью PDM-систем осуществляется отслеживание больших массивов данных и инженерно-технической информации, необходимых на этапах проектирования, производства или строительства, а также поддержка эксплуатации, сопровождения и утилизации технических изделий. Такие данные, относящиеся к одному изделию и организованные PDM-системой, называются цифровым макетом. PDM-системы интегрируют информацию любых форматов и типов, предоставляя её пользователям уже в структурированном виде (при этом структуризация привязана к особенностям современного промышленного производства). PDM-системы работают не только с текстовыми документами, но и с геометрическими моделями и данными, необходимыми для функционирования автоматических линий, станков с ЧПУ и др, причём доступ к таким данным осуществляется непосредственно из PDM-системы. С помощью PDM-систем можно создавать отчеты о конфигурации выпускаемых систем, маршрутах прохождения изделий, частях или деталях, а также составлять списки материалов. Все эти документы при необходимости могут отображаться на экране монитора производственной или конструкторской системы из одной и той же БД. Одной из целей PDM-систем и является обеспечение возможности групповой работы над проектом, то есть, просмотра в реальном времени и совместного использования фрагментов общих информационных ресурсов предприятия. Для успешной работы современного предприятия необходимо планирование его деятельности, в том числе для планирования производственных процессов. Необходимость планирования обусловлена тем, что основная масса задержек в процессе производства связана с запаздыванием поступления отдельных комплектующих, в результате чего, как правило, параллельно с уменьшением эффективности производства, на складах возникает избыток материалов, поступивших в срок или ранее намеченного срока. Кроме того, вследствие нарушения баланса поставок комплектующих, возникают дополнительные осложнения с учетом и отслеживанием их состояния в процессе производства, т.е. фактически невозможно определить, например, к какой партии принадлежит данный составляющий элемент в уже собранном готовом продукте. С целью предотвращения подобных проблем, на предприятиях происходит интенсивное внедрение различных ERP - систем ERP – система (Enterprise Resource and Relationship Processing), что можно перевести как «Управление внутренними ресурсами и внешними связями» - представляет собой компьютерную программу, позволяющую оптимально управлять деятельностью предприятия. Функциональные возможности современных ERP -систем охватывают следующие основные направления: 1. Sales and Operation Planning (Планирование продаж и производства). 2. Demand Management (Управление спросом). 3. Master Production Scheduling (Составление плана производства). 4. Material Requirement Planning (Планирование материальных потребностей). 5. Bill of Materials (Спецификации продуктов). 6. Inventory Transaction Subsystem (Управление складом). 7. Scheduled Receipts Subsystem (Плановые поставки). 8. Shop Flow Control (Управление на уровне производственного цеха). 9. Capacity Requirement Planning (Планирование производственных мощностей). 10. Input/output control (Контроль входа/выхода). 11. Purchasing (Материально техническое снабжение). 12. Distribution Resourse Planning (Планирование ресурсов распределения). 13. Tooling Planning and Control (Планирование и контроль производственных операций). 14. Financial Planning (Управление финансами). 15. Performance Measurement (Оценка результатов деятельности). 16. CRM (Управление взаимоотношениями с клиентами) Рис. 2 Пример реализации CALS-технологий Рис. 3 Пример реализации CALS-технологий В зависимости от исторического опыта развития информационных систем на предприятии, от финансовых возможностей, взглядов руководителей, других факторов формируются различные пути или этапы создания интегрированной информационной системы обеспечения жизненного цикла соответствующего изделия. В результате тщательного анализа и отбора, имеющихся на рынке информационных продуктов и технологий формируются различные архитектурные решения. Например: 1. для организации процессов управления конструкторским составом изделия в цифровой среде может быть выбран продукт TeamCenter Engineering (ТСЕ). Система TeamCenter Engineering предназначена для организации совместной работы сотрудников и конструкторско-технологической подготовки производства. ТСЕ обеспечивает переход к использованию 3-D моделей в качестве документов обеспечения при совместном использовании CAD-системы с системами управления данными об изделии (PDM). Такой подход позволяет частично отказаться от чертежей, а осуществлять изготовление и сборку изделий только по моделям. 2. для проектирования технологических процессов - продукт Techcard; 3. для проектирования изделий, оснастки, инструмента - CAD/CAE-системы NX (Unigraphics) и ANSYS; 4. для разработки программ для станков с ЧПУ выбор часто останавливают на таких CAD/CAM-системах как NX (Unigraphics) и Solid Edge, обладающих встроенным механизмом интеграции с системой TCE. Рис. 1 Пример архитектурного решения внедрения САПР Как уже отмечалось, для проектирования изделий, оснастки, инструмента выбор часто останавливают на CAD/CAM/CAE-системе NX (Unigraphics) и CAD/CAE-системе ANSYS. NX (Unigraphics) - это интерактивная система автоматизации проектирования и изготовления. NX обеспечивает решение задач промышленного дизайна и формирование облика бедующего изделия; высокоточного описания отдельных деталей и крупных сборочных узлов и агрегатов, состоящих из сотен тысяч компонентов; проведение сложных инженерных расчетов и моделирование поведения изделия в реальных условиях; программирование и управление станками с ЧПУ. Система NX имеет модульную структуру. Каждый модуль выполняет определенные функции. Все функциональные модули вызываются из управляющего модуля, который называется Gateway. Каждый пользователь NX обязательно должен иметь модуль Gateway, тогда как все остальные модули являются необязательными и могут быть подобраны для удовлетворения индивидуальных потребностей пользователя. NX - это трехмерная система, которая позволяет идеально воспроизвести почти любую геометрическую форму, оперируя числами с удвоенной точностью. Комбинируя эти формы, Вы можете спроектировать изделие, выполнить инженерный анализ и выпустить чертежи. После завершения проектирования модуль Manufacturing позволит Вам указать геометрию детали, задать технологические параметры (например, диаметр инструмента) и автоматически сформировать траекторию движения инструмента в виде файла CLSF (Cutter Location Source File), что дословно переводится как Исходный Файл Положения Инструмента. Позднее этот файл будет использоваться в качестве исходных данных для расчета управляющих программ. Рис.4 Структура NX ANSYS — универсальная программная система конечно-элементного (МКЭ) анализа, является довольно популярной у специалистов в сфере автоматических инженерных расчётов (CAE, Computer-Aided Engineering) и КЭ решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций), задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей. Моделирование и анализ в некоторых областях промышленности позволяет избежать дорогостоящих и длительных циклов разработки типа «проектирование — изготовление — испытания». Предлагаемые фирмой ANSYS Inc. средства численного моделирования и анализа совместимы с некоторыми другими пакетами, работают на различных ОС. Программная система ANSYS сопрягается с известными CAD-системами NX (Unigraphics), CATIA, Pro/ENGINEER, SolidEdge, SolidWorks, Autodesk Inventor и некоторыми другими. Программная система ANSYS является довольно известной CAE-системой, которая используется на таких известных предприятиях, как ABB, BMW, Boeing, Caterpillar, Daimler-Chrysler, Exxon, FIAT, Ford, БелАЗ, General Electric, Lockheed Martin, MeyerWerft, Mitsubishi, Siemens, Alfa Laval, Shell, Volkswagen-Audi, и др., а также применяется на многих ведущих предприятиях промышленности РФ, например НПО «Сатурн»